DE69502277T2

DE69502277T2 - Verfahren zur herstellung einer düse für kraftstoffventil und düse

Info

Publication number: DE69502277T2
Application number: DE69502277T
Authority: DE
Inventors: Harro Andreas Dk-3450 Allerod Hoeg
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH; MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH; MAN B&W Diesel AS
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1995-03-09
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2015-03-10
Also published as: NO963760D0; RU2124417C1; EP0749365A1; NO963760L; WO1995024286A1; JPH09509984A; DE69502277D1; NO314170B1; KR100324398B1; JP3355190B2; EP0749365B1; HRP950114A2; HRP950114B1; KR970701605A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Düse für ein Kraftstoffventil für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktgroßmotor, bei dem im wesentlichen isotropes, feinkörniges Pulver einer solchen Zusammensetzung, daß die fertig bearbeitete Düse Heißkorrosionsfestigkeit besitzt, in eine Form eingebracht und bei einem Druck von zumindest 800 bar und einer Temperatur von zumindest 1000ºC HIP-behandelt wird.
Bei jedem Arbeitsspiel des Motors wird die Düse eines Verbrennungsmotors einem plötzlichen Druckeinfluß ausgesetzt, wenn der Innenbohrung der Düse an der Öffnung des Ventils unter Druck stehender Kraftstoff zugeführt wird, der durch die Düsenlöcher ausgespritzt wird. Im Bereich um die Düsenlöcher kann der Kraftstoff einen sehr starken erosiven Einfluß auf die Düse haben, was große Anforderungen an die Festigkeit des Düsenmaterials stellt, insbesondere bei Zweitaktgroßmotoren, die mit schwerem Dieselöl gespeist wären, dessen Partikelgehalt eine hohe erosive Wirkung hat. Da die Düse eine Strecke nach unten in den Brennraum ragt, wird sie auch von den wechselnden Temperaturen im Brennraum in Mitleidenschaft gezogen. Bei Zweitaktgroßmotoren ist die Düsenspitze praktisch ungekühlt. Insbesondere das hohe Temperaturniveau bei der Verbrennung stellt große Anforderungen an das Düsenmaterial, das eine geeignete Festigkeit bei hohen Temperaturen haben und darüber hinaus heißkorrosionsfest sein muß.
Düsen nach dem Stand der Technik bestehen aus einem Material, das gegenüber Heißkorrosion und erosiven Einflüssen vom Kraftstoff widerstandsfähig ist. Bekannt sind Düsen aus gegossenem Stellit 6. Diese Düsen werden durch Präzisionsgießen, sog. Investmentgießen, hergestellt, wobei eine Sandform um eine positive Form der Düse in Wachs gebildet wird, welche Form gleichzeitig mit dem Ausschmelzen des Waches gebrannt wird, woraufhin der Düsenrohling gegossen wird.
Mit Blick auf die Festigkeitseigenschaften der Gußdüse muß das Gußteil sehr schnell abgekühlt werden, um eine ausreichend feine Kornstruktur in der fertigen Düse zu erhalten. Die schnelle Kühlung erhöht die Gefahr der Porosität und des Kaltfließens des Gießlings, d.h. einer Art von Lamination des Materials ohne eine echte vollständige metallurgische Verbindung zwischen den einzelnen Schichten. Die Lamination verringert die Ermüdungsfestigkeit der Düse. Es besteht daher ein Grenzwert für die Anzahl von Düsenlöchern, die in das Material der Düse eingearbeitet werden können, da die Löcher das Material schwächen und Spannungskonzentrationen entstehen lassen. Da ein zu hohes Spannungsniveau bei den bekannten Düsen zu einer Rißbildung in und anschließenden Brüchen der Düse und im schlimmsten Fall zu einer Einspritzung konzentrierter Kraftstoffstrahlen direkt zur Oberfläche des Kolbens hin führen kann, werden die bekannten Düsen nicht mit eng benachbarten Düsenlöchern hergestellt. Dieses begrenzt die Kraftstoffmenge, die pro Kraftstoffventil pro Arbeitsspiel des Motors eingespritzt werden kann.
Bei bekannten Düsen aus Stellit 6 mit gebohrten Düsenlöchern hat sich gezeigt, daß die Düsenlöcher an der öffnung in die mittlere Längsbohrung der Düse einen starken Bruchrandbereich aufweisen, d.h. es sind kleine Splitter aus dem Lochrand ausgeschlagen. Der unebene Lochrand erzeugt Kerbwirkungen, die die Ermüdungsfestigkeit der Düse herabsetzen.
EP-A-0 569 655 beschreibt eine Düse aus einer mechanisch verbundenen, dispersionsverstärkten Superlegierung auf Nickelbasis, d.h. einer sog. ODS-Legierung (oxiddispersionsverstärkt). Die mechanische Verbindung findet in Hochleistungsmühlen, wie etwa großen Kugelmühlen, statt, in denen pulveriges und/oder flockiges Ausgangsmaterial, bestehend aus einer Dispersionskomponente von Yttriumoxid und einer Legierungskomponente auf Nickelbasis, mechanisch zu einem Material mit einer homogenen, sehr feinen Mikrostruktur verknetet wird. Sodann kann das Material in mehreren Stufen in die gewünschte Form kalt- oder heißgeschmiedet und daraufhin wärmebehandelt werden, um eine Ausscheidungshärtung herbeizuführen. Als Folge der Dispersionsverfestigung mit Oxiden hat diese bekannte Düse eine verhältnismäßig hohe Festigkeit bei sehr hohen Temperaturen. Die Herstellung dieser Düsen ist sehr teuer und die Formung der Düsenlöcher sehr schwierig, da fein verteilte, sehr harte Yttriumoxide in dem Material dieses schwierig zu bearbeiten machen.
Die unter der Nr. 1-215942 veröffentlichte japanische Patentanmeldung beschreibt eine Düse, die durch Heißbearbeitung, z.B. HIP-Behandlung oder Heißextrudieren, aus einem Sintermaterial einer intermetallischen Verbindung von TiAl und Ni&sub3;Al hergestellt ist, die als eine außerordentliche harte teilchenausgeschiedene Komponente in Legierungen bekannt ist. Bei einer Herstellung der Düse aus dieser intermetallischen Verbindung ist klar, daß ihre Festigkeit gegenüber Verschleiß sehr hoch wird, jedoch wird die mechanische Bearbeitung des Düsenrohlings in seine Fertigform schwierig und kostenaufwendig. Außerdem kann die HIP-Behandlung nur während eines kurzen Zeitraums von beispielsweise 30 min. stattfinden, da die Legierung ihre Eigenschaft bei längeren Haltezeiten ändert. Daher kann die HIP-Behandlung nicht bis zu einem kompakten Düsenrohlung zuendegeführt werden, sondern es müssen ein Schmieden des Düsenrohlings in die gewünschte Form und dessen maschinelle Bearbeitung zur fertigen Düse folgen. Die Hochtemperaturfestigkeit der Legierungen Ni&sub3;Al und TiAl ist unzureichend im Falle der Verwendung in Motoren, die mit schwerem Dieselkraftstoff betrieben werden.
Der ungleichmäßige Übergang zwischen den einander schneidenden Bohrungen in den bekannten Düsen verursacht ferner einen ungünstigen Strömungsverlauf, wenn der Kraftstoff durch die Düsenlöcher strömt, wobei sich der Kraftstoff in den Brennraum als ein kombinierter Strahl über eine verhältnismäßig lange Strecke fortsetzt, was den Wärmeeinfluß auf die Komponenten auf einer längeren Strecke von der Düse erhöht und einer schnellen und feinen Verteilung des Kraftstoffes entgegenwirkt, damit den Betrieb des Motors auf unerwünschte Weise beeinträchtigt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfacheres Verfahren der Herstellung einer Düse aus einem Material zu schaffen, das einerseits eine einfache mechanische Bearbeitung in eine genaue gewünschte geometrische Form ermöglicht, die eine verbesserte Kraftstoffeinspritzung erbringt, und andererseits eine verhältnismäßig hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen aufweist.
Mit Blick auf diese Aufgabe ist das eingangs erwähnte Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Form im wesentlichen die gewünschte äußere Düsenform aufweist, daß die HIP-Behandlung zumindest eine Stunde bei dem erwähnten Druck und der erwähnten Temperatur dauert und daß ein Strömungskanal mit einer mittleren Längsbohrung und einer Anzahl von Düsenlöchern in den auf diese Weise HIP-behandelten Rohling gebohrt wird, wodurch die Lochränder der Düsenlöcher am Übergang zur mittleren Bohrung scharf werden.
Als Folge der kleinen Abmessung des Düsenrohlings ist die Masse dicht, wenn das Material in der Form auf die gewünschten Werte für Temperatur und Druck während der Haltezeit von zumindest einer Stunde gebracht ist. Bei dieser Haltezeit sind die notwendigen Verbindungen zwischen den Pulverkörnern durch Diffusion aufgebaut, so daß der Düsenrohling eine homogene Struktur hat. Die feinkörnige, dichte und homogene Struktur macht ein Bohren der Düsenlöcher mit scharfen Lochrändern möglich. Scharfe Lochränder am Übergang zur mittleren Bohrung, d.h. am Einlaß zu den Düsenlöchern, fördern die Verteilung des Kraftstoffstrahls, der von den gegenüberliegenden Enden der Düsenlöcher an der Außenseite der Düse ausgespritzt wird.
Das feinkörnige Pulver wird bei der HIP- (heißisostatischer Druck)-Behandlung der Düse zu einem festen kohäsiven Material verbunden, ohne das Pulver zum Schmelzen zu bringen. Das Ergebnis des Nicht-Schmelzens, ist, daß, in an sich bekannter Weise, das Material in der Düse die isotrope Struktur des feinkörnigen Pulvers mit sehr kleinen Kristallkörnern beibehält. Die feine Korngröße gibt dem Material eine hohe Festigkeit, ohne daß gleichzeitig dem Material Eigenschaften aufgeprägt werden, die eine mechanische Bearbeitung schwierig machen.
Die Herstellung der Düse ist in vorteilhafter Weise einfach, da die HIP-Behandlung in einem einfachen Vorgang direkt am feinkörnigen Pulver ausgeführt werden kann und die Düsenlöcher in den Rohling ohne Komplikationen und ohne irgendeine umständliche werkzeugabhängige Zwischenbehandlung gebohrt werden können. Bei der HIP-Behandlung ist das Mateiral der Düse im wesentlichen der gleichen Behandlung in allen Querschnitten ausgesetzt, so daß örtliche Abweichungen in den Materialeigenschaften des Düsenrohlings vermieden sind. Da das Material der Düse keine inneren Schwächungen enthält, erreicht die Düse eine hohe Ermüdungsfestigkeit im Verhältnis zu der Festigkeit einer Gußdüse aus einem Material mit der gleichen Analyse.
Es ist ferner ein Vorteil, daß ein verhältnismäßig billiges, gaszerstäubtes Pulvermaterial bei der HIP-Behandlung verwendet wird und daß die HIP-Behandlung den überwiegenden Teil einer zerstäubten Pulvercharge nutzen kann.
Wenn Druck, Temperatur und Haltezeit niedriger oder kürzer werden als die angegebenen Werte, kann eine ausreichende Verbindung des feinkörnigen Pulvers nicht erreicht werden. Die feinkörnige Struktur des Düsenrohlings kann unabhängig von der aktuellen Zusammensetzung der verwendeten Legierung erreicht werden.
Die HIP-Behandlung kann mit einem Ausgangsmaterial mit einer Pulverkorngröße im Bereich von 0 bis 1000 um und einem Druck im Bereich von 900 bis 1100 bar und einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1200ºC ausgeführt werden. Bei den untersuchten Legierungen haben diese Bereichsgrenzen gezeigt, daß HIP-behandelte Düsenrohlinge mit weitgehend isotropen Eigenschaften, d.h. gleichförmigen Eigenschaften in allen Richtungen, entstehen. Für die meisten Legierungen verursachen Drücke über 1100 bar und Temperaturen über 1200ºC die Gefahr eines erhöhten Kornwachstums und eines beginnenden Schmelzens des Materials, was die sehr kleine Kristallkorngröße in dem pulverigen Ausgangsmaterial zerstören würde. Die untere Grenze von 900 bar und 1100ºC und eine Haltezeit von zumindest 1 Stunde gewährleisten bei den meisten Legierungen, daß das Pulver zu einem gleichförmigen Körper gebunden wird. Das Halten der Korngröße, d.h. der größten Außenabmessung des Pulvers, bei 1000 um als höchstes gewährleistet, daß das Ausgangsmaterial sehr feine Kristallkörner hat.
Bei einer Weiterentwicklung, die im Falle einer Legierung auf Nickelbasis mit einem ho0hen Chromgehalt anwendbar ist, ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenrohling eine austenitische Nickelphase umfaßt und daß nach der mechanischen Bearbeitung der Rohling einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 550 bis 1100ºC, vorzugsweise 700 bis 850ºC, für einen Zeitraum von zumindest 5 Stunden unterzogen wird, wodurch eine Festphasenumwandlung stattfindet, bei der eine ferritische α- Phase in sehr feiner Verteilung in die austenitische Nickelphase als Teilchen niedergeschlagen wird. Die gewünschte hohe Härte der Legierung und die daraus folgende geringe maschinelle Bearbeitbarkeit wird somit erst erzeugt, wenn die mechanische Bearbeitung des HIP-behandelten Rohlings beendet ist.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Düse für ein Kraftstoffventil für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktgroßmotor, mit einer mittleren Längsbohrung und einer Anzahl von Düsenlöchern, die in der Seitenwand der Düse angeordnet sind und, zusammen mit der Längsbohrung, einen Strömungskanal für unter Druck stehenden Kraftstoff bilden, welche Düse von einem Material gebildet ist, das gegenüber Heißkorrosion und erosiven sowie Kavitationseinflüssen des Kraftstoffes resistent ist. Bei einem Zweitaktgroßmotor kann der verwendete Kraftstoff ein schweres Dieselöl sein, das die Düse erheblichen erosiven Einflüssen aus dem Partikelgehalt usw. im Kraftstoff aussetzt, und außerdem führt das häufig schwefelhaltige Öl zu einer sehr korosiven Umgebung im Brennraum. Bei Zweitaktgroßmotoren hat die Düse eine große Länge und ist an ihrem unteren Ende im wesentlichen ungekühlt.
Bei einer Ausführungsform ist die Düse nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie von einer HIP-behandelten Legierung auf Kobaltbasis gebildet ist, die Chrom und Wolfram umfaßt, wie etwa Stellit 6, und der Strömungskanal für den Kraftstoff nach der HIP-Behandlung gebohrt ist, wodurch die Lochränder der Düsenlöcher am Übergang zur mittleren Bohrung scharf werden. Bei der HIP-Behandlung des Düsenmaterials wird die hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber der im Brennraum herrschenden Umgebung, die die Legierung auf Kobaltbasis in an sich bekannter Weise aufweist, mit einer wesentlich verbesserten Ermüdungsfestigkeit und neuartigen ausgezeichneten Eigenschaften bei der mechanischen Bearbeitung des Materials kombiniert.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Düse von einer HIP behandelten Legierung auf Nickelbasis gebildet, die, in Gewichtsprozent und abgesehen von allgemein vorkommenden Verunreinigungen, 20 bis 30% Cr, 0 bis 8% W, 4 bis 8% Al, 2 bis 0,55% C, 0 bis 2% Hf, 0 bis 1,5% Nb, 0 bis 8% Mo, 0 bis 1% Si, 0 bis 1,5% Y und 0 bis 5% Fe umfaßt, wobei der Strömungskanal für den Kraftstoff nach der HIP- Behandlung gebohrt ist, wodurch die Lochränder der Düsenlöcher am Übergang zur mittleren Bohrung scharf werden.
Dieses Material hat überraschend eine gute mechanische Bearbeitbarkeit und eine hohe Ermüdungsfestigkeit und Widerstandsfähigkeit sowohl gegenüber Heißkorrosion als auch erosiven Einflüssen des Kraftstoffes gezeigt. Beim Bohren der Düsenlöcher wurde kein Absplittern von Spänen an den Enden der Bohrung beobachtet. In gleicher Weise haben Versuche gezeigt, daß die Messerrandeinlässe zu den Düsenlöchern selbst nach sehr langen Betriebszeiten beibehalten werden.
Der Cr-Gehalt der Legierung ist wichtig für die Fähigkeit der Düse, einer Heißkorrosion standzuhalten, und zusätzlich führt der Cr-Gehalt einen lösungsverstärkenden Effekt herbei, der zusätzlich zu der feinkörnigen Struktur dazu beiträgt, die Festigkeit der Legierung zu erhöhen. Falls gewünscht, kann dieser Effekt durch das Zusetzen von Mo und/oder W zur Legierung verstärkt werden.
Zusammen mit Cr bildet Al eine kombinierte Oberflächenschicht von Al&sub2;O&sub3; und Cr&sub2;O&sub3;, die die Düse gegen Korrosion bei hohen Temperaturen schützt. Der Al-Gehalt bildet ferner eine γ'-Phase, bestehend aus dem Intermetall Ni&sub3;Al, welches die Ausscheidungshärtung der Legierung hervorruft, jedoch eine verhältnismäßig spröde Phase ist. Al-Gehalte von mehr als 8% bergen das Risiko, daß die γ'-Phase kohäsiv wird, anstatt von einer duktilen austenitischen Phase umschlossen zu werden, die die hohe Ermüdungsfestigkeit und gute maschinelle Bearbeitbarkeit des Materials sicherstellt. Der Al-Gehalt der Legierung kann zweckmäßig auf maximal 6% eingeschränkt werden, da die meisten der positiven Eigenschaften von Al dann ohne eine Gefahr eines Festigkeitsverlustes aufgrund eines unvollständigen Umschließens der γ'-Phase ausgenutzt werden.
Bei Cr-Gehalten von weniger als 20% kann die Duse nicht den korrosiven Einflüssen bei hohen Temperaturen standhalten. Man kann möglicherweise mehr als 30% Cr der Legierung zusetzen, jedoch würde dies nicht zu einer merklich verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion führen. Im Gegenteil beeinträchtigen hohe Cr-Gehalte die mechanische Bearbeitbarkeit der Düse, und somit umfaßt die Legierung vorzugsweise höchstens 24% Cr.
Der mögliche Fe-Gehalt der Legierung wird auf einem Maximalwert von 5% gehalten, um eine Verschlechterung der Korrosionseigenschaften der Düse zu verhindern.
Die feinkörnige Struktur des als Ausgangsmaterial bei der HIP-Behandlung verwendeten Pulvers wird durch Druckzerstäubung geschmolzenen Materials in ein verhältnismäßig kaltes Gas erreicht, wobei die zerstäubten Tropfen einer Abschreckung unter gleichzeitiger Bildung äußerst kleiner Kristallkörner im Material unterzogen werden. Das Abschrecken führt ferner zu einem außerordentlich kleinen Abstand zwischen den dendritischen Zweigen der Kristallkörner. Der Si-Gehalt der Legierung von bis zu 1% vermittelt der fertigen Düse keine besonderen Vorteile, hat jedoch einen desoxidierenden Effekt bei der Pulvererzeugung, so daß eine Verunreinigung des Pulvers mit unerwünschten Oxiden vermieden wird. Statt dessen können andere desoxidierende Komponenten in kleinen Mengen verwendet werden.
Der C-Gehalt der Legierung wird auf einem Höchstwert von 0,55% gehalten, um eine Ausscheidung von nadel- und plattenförmigen Karbiden zu verhindern, die die Duktilität der Legierung verringern können. Bei einem C-Gehalt von weniger als 0,2% erreicht die Legierung nicht die Härte, die notwendig ist, um den erosiven Einflüssen des Kraftstoffes standzuhalten. Ein Zusetzen von bis zu 2% Hf kann leidige Karbidausscheidungen in der Weise verändern, daß sie mehr abgerundete Formen haben. Der Zusatz von Nb in Mengen von bis zu 1,5% kann zu einer feineren Ausscheidung von Metallkarbiden führen, was der Legierung mutmaßlich eine größere Duktilität verleiht.
Die Korrosionsfestigkeit der Düse bei hohen Temperaturen kann durch den Zusatz von Y in Mengen von bis 1,5% verbessert werden. Ein weiterer Zusatz von Y führt nicht zu einer weiteren Verbesserung.
Wenn die Düse für Anwendungen bestimmt ist, bei denen der erosive Einfluß groß ist, beträgt der C-Gehalt vorzugsweise zumindest 0,35% mit Blick auf die Härte der Legierung.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Düse von einer HIP-behandelten Legierung auf Nickelbasis gebildet, die, in Gewichtsprozent und abgesehen von allgemein vorkommenden Verunreinigungen, 40 bis 50% Cr, 0 bis 0,55% C, weniger als 1,0% Si, 0 bis 5,0% Mn, weniger als 1,0% Mo, 0 bis weniger als 0,5% B, 0 bis 8,0% Al, 0 bis 1,5% Ti, 0 bis 0,2% Zr, 0 bis 3,0% Nb, maximal 0,01% 0, maximal 0,03% N, maximal 2% Hf, maximal 1,5% Y, einen zusammengenommenen Gehalt an Co und Fe von maximal 5,0% und den Rest Ni umfaßt, wobei der Strömungskanal für den Kraftstoff nach der HIP-Behandlung gebohrt ist, wodurch die Lochränder der Düsenlöcher am Übergang zur mittleren Bohrung scharf werden.
Dieses Material hat eine hohe Ermüdungsfestigkeit und eine außerordentlich hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber sowohl Heißkorrosion als auch erosiven Einflüssen des Kraftstoffes.
Der Cr-Gehalt der Legierung ist wichtig für die Fähigkeit der Düse, einer Heißkorrosion standzuhalten, und der Cr-Gehalt hat ferner einen lösungsverstärkenden Effekt, der zusätzlich zu der feinkörnigen Struktur zur Erhöhung der Festigkeit der Legierung beiträgt. Falls gewünscht, kann dieser Effekt durch den Zusatz von Mo und/oder W zur Legierung verstärkt werden.
Zusammen mit Cr bildet Al eine kombinierte Oberflächenschicht von Al&sub2;O&sub3; und Cr&sub2;O&sub3;, die die Düse gegen Korrosion bei hohen Temperaturen schützt. Der Al-Gehalt bildet ferner eine γ'-Phase, bestehend aus dem Intermetall Ni&sub3;al, die eine Ausscheidungshärtung der Legierung hervorruft, jedoch eine verhältnismäßig spröde Phase ist. Vorzugsweise ist der Al-Gehalt höher als 2,5%, um geeignete Beträge der gewünschten Oberflächenschicht zu erhalten. Al-Gehalte von mehr als 8% bergen das Risiko der Bildung einer β-Phase, die die Duktilität der Legierung bei Raumtemperatur und die Festigkeit der Legierung bei hohen Temperaturen verringert. Der Al-Gehalt der Legierung kann zweckmäßigerweise auf einen Höchstwert von 6% beschränkt werden, da dann die meisten der positiven Eigenschaften von Al ohne jede Gefahr eines Festigkeitsverlustes aufgrund ungeeigneter Strukturkomponenten ausgenutzt sind.
Der mögliche Fe-Gehalt der Legierung wird auf einem Höchstwert von 5% gehalten, um eine Verschlechterung der Korrosionseigenschaften der Düse zu verhindern. Fe und Co sind beides Verunreinigungen in der Legierung, und man ist bestrebt, ihren zusammgenommenen Gehalt auf einen Höchstwert von 5% zu beschränken.
Die feinkörnige Struktur des als Ausgangsmaterial bei der HIP-Behandlung verwendeten Pulvers wird durch Druckzerstäubung geschmolzenen Materials in ein verhältnismäßig kaltes Gas erreicht, wobei die zerstäubten Tropfen einer Abschreckung bei gleichzeitiger Bildung extrem kleiner Kristallkörner im Material unterzogen werden. Das Abschrecken führt ferner zu einem außerordentlich kleinen Abstand zwischen dendritischen Zweigen der Kristallkörner. Der Si-Gehalt der Legierung von bis zu 1% vermittelt der fertigen Düse keine besonderen Vorteile, hat jedoch einen desoxidierenden Effekt bei der Pulvererzeugung, so daß eine Verunreinigung des Pulvers mit unerwünschten Oxiden vermieden wird. Statt dessen können andere desoxidierende Komponenten in kleinen Mengen, wie etwa Ti oder Mn, zugesetzt werden. Mn ist nicht ein ganz so wirksames Desoxidationsmittel, und man ist bestrebt, seine Menge auf einen Höchstwert von 5% zu beschränken, um nicht die wirksamen Komponenten in der fertigen Legierung abzuschwächen. Durch den Zusatz von Ti, zum Beispiel in Mengen von zumindest 0,5%, kann die Gefahr der Bildung sogenannter Vorpartikelgrenzen (PPB) erhöht werden, insbesondere, wenn die Legierung C und Verunreinigungen aus O und N umfaßt, aus welchem Grunde gleichzeitig mit Ti vorzugsweise ein Zusatz von HF von etwa 0,5% zur Legierung vorgenommen wird, um dieser Tendenz entgegenzuwirken.
Der B-Gehalt hat sich überraschend als wichtig dafür erwiesen, daß durch die Nickellegierung mit dem hohen Cr-Gehalt eine hohe Duktilität erreicht wird, die vorteilhaft für die Ermüdungsfestigkeit ist. Schon bei einem so kleinen Betrag wie 0,05% bewirkt B, daß sich die Verfestigung des geschmolzenen Materials von einer zellförmigen Verfestigung zu einer dendritischen Verfestigung verändert, bei der die dendritischen Zweige ineinandergreifen und eine geometrische Verriegelung der Strukturkomponenten erzeugen. B ist größtenteils unlöslich in der γ- und der α-Phase, und es wird vermutet, daß die Verfestigung ein Eutektikum mit einer Anzahl von Boriden herbeiführt. Größere Gehalte an B können eine Ausscheidung der allgemein bekannten und unerwünschten niedrigschmelzenden Eutektika ohne große Festigkeit hervorrufen.
Bei einer Wärmebehandlung mit Haltezeiten von mehr als einer Stunde, vorzugsweise mehr als 5 Stunden, wird die Legierung einer Festphasenumwandlung ausgesetzt, wobei eine chromhaltige ferritische α-Phase in die austenitische Nickelphase als sehr fein verteilte Präzipitate ausgeschieden wird. Nb beeinflußt die Festphasenumwandlung im Sinne einer kugelförmigen Ausscheidung anstelle einer laminaren Ausscheidung, was die Duktilität der Legierung erhöht.
Der C-Gehalt der Legierung wird auf einem Höchstwert von 0,55% gehalten, um einer Ausscheidung von nadel- und plattenförmigen Karbiden entgegenzuwirken, die die Duktilität der Legierung verringern können. Der Zusatz von bis zu 2% Hf kann leidige Karbidpräzipitate in der Weise verändern, daß sie mehr abgerundete Formen haben, und können gleichzeitig einen möglichen Nb-Gehalt davon freisetzen, in die Karbidbildung einbezogen zu werden. Der Zusatz von Nb in Mengen von bis zu 3,0% kann zu einer feineren Ausscheidung von Metallkarbiden führen, was angenommenermaßen der Legierung eine größere Duktilität verleiht, und gleichzeitig ist ein Restbetrag an freiem Nb vorhanden, um die Festphasenumwandlung zu beeinflussen.
Bei einer Ausführungsform, bei der die Härte der Legierung primär mittels der Festphasenumwandlung erreicht worden ist, beträgt der C-Gehalt maximal 0,1% und der Hf-Gehalt weniger als 0,5%, da keine Notwendigkeit für einen großen Überschuß an Karbidmodifikatoren besteht. Die Haltezeiten bei der HIP-Behandlung oder bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung bei einer Temperatur von über 550ºC, vorzugsweise im Bereich von 700 bis 850ºC, dürfen in diesem Fall nicht länger sein als 5 Stunden, so daß Zeit dafür, daß die Diffusion bei der Umwandlung stattfindet, vorhanden ist.
Die Korrosionsfestigkeit der Düse bei hohen Temperaturen kann durch den Zusatz von Y in Mengen von bis zu 1,5% verbessert werden. Ein Zusatz von mehr Y führt nicht zu einer weiteren Verbesserung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Legierung maximal 0,45% Al, maximal 0,1% C und maximal 0,1% Ti. Bei dieser Zusammensetzung wird die Ausscheidung von Karbidzellen, Boriden und/oder Intermetallen, wie Ni&sub3;Al (γ') in die Basismatrix der Legierung im wesentlichen unterdrückt, und daher hat die Legierung nach der HIP-Behandlung eine hohe Duktilität und niedrige Härte, so daß der HIP-behandelte Rohling ohne Probleme auf die gewünschte Geometrie mechanisch bearbeitet werden kann. Der fertig bearbeitete Rohling wird dann einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 550 bis 1100ºC, vorzugsweise 700 bis 850ºC, für einen Zeitraum von zumindest 5 Stunden unterzogen. Bei der Wärmebehandlung findet eine Festphasenumwandlung statt, wobei eine ferritische α-Phase in einer sehr feinen Verteilung in die austenitische Nickelphase 7 als Teilchen ausgeschieden wird, wodurch die Legierung erhärtet und die gewünschte hohe Härte erhält, die der Düse eine gute Verschleißfestigkeit gibt. Die Phasenpräzipitate sind so fein verteilt, daß die Mikrohärte der Matrix in großem Umfang gleichmäßig erhöht wird, was sowohl die Verschleiß- als auch die Heißkorrosionsfestigkeit begünstigt. Die Haltezeit der Wärmebehandlung kann ebenfalls länger sein, wie etwa zumindest 20 oder zumindest 40 bis 50 Stunden.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Legierung zumindest 45% Cr und 0,15 bis 0,40% B, vorzugsweise maximal 0,25% B. Die obere Grenze von 0,4% B gewährleistet zweckmäßigerweise, daß bei der Verfestigung der Legierung die Menge von die Härte erhöhenden Boriden nicht einen Wert übersteigt, bei dem die Legierung spröde wird, und die untere Grenze von 0,15% ist zweckmäßig für einen Cr-Gehalt von 45%.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt die Legierung 1, bis 2,0% freies Nb. Die vorteilhafte Veränderung des Härtungsmechanismus in eine kugelförmige Ausscheidung wird verstärkt, wenn der freie Nb-Gehalt zumindest 1,0% beträgt, und aus finanziellen Gründen kann der Gehalt an dem verhältnismäßig teuren Nb zweckmäßig auf die 2,0% beschränkt werden, da ein höherer Gehalt an Nb üblicherweise die Eigenschaften der Legierung nicht wesentlich verbessert.
Als eine Folge der hohen Ermüdungsfestigkeit der HIP-behandelten Düsen nach der Erfindung kann eine Anzahl von Düsenlöchern dichter aneinander vorgesehen werden, als es bislang möglich war. Der Druck des Kraftstoffs wirkt auf die mittlere Bohrung der Düse mit einem Drucküberschuß, der Zugspannungen im Düsenmaterial erzeugt. Die höhere Ermüdungsfestigkeit der Düse ermöglicht eine Erhöhung des Zugspannungsniveaus und damit einen vorteilhaft höheren Einspritzdruck, der für das Einspritzen einer größeren Kraftstoffmenge während jedes Arbeitsspiels des Motors verwendet werden kann. Das Verfahren und die Düse nach der Erfindung machen es somit möglich, Motoren mit einer höheren Zylinderleistung herzustellen.
Die Erfindung wird nun nachfolgend im einzelnen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine in einem Kraftstoffventil angebrachte Düse,
Fig. 2 und 3 Fotos von Düsenlöchern in zwei verschiedenen Düsen nach dem Stand der Technik und
Fig. 4 bis 6 entsprechende Fotos von Düsenlöchern in einer Düse nach der Erfindung.
Fig. 1 zeigt das untere Ende eines Kraftstoffventils 1 mit einem Gehäuse 2 zur Anbringung in einem Zylinderdeckel, nicht gezeigt, derart, daß eine ringförmige Schrägfläche 3 am unteren Ende des Gehäuses in Anlage gegen eine entsprechende Fläche am Deckel gedrückt wird. Eine Düse 4 erstreckt sich durch ein mittleres Loch im Gehäuse 2 und steht nach unten in den Brennraum vor, so daß Düsenlöcher 5 in der Seitenwand der Düse in einem geeigneten Abstand unten im Brennraum angeordnet sind. In Ebenen unterhalb der Schrägfläche 3 ist die Düse im wesentlichen ungekühlt, und daher wird die Düsenspitze mit den Löchern 5 durch die heißen Gase im Brennraum auf eine hohe Temperatur erwärmt.
Die Düse hat eine mittlere Bohrung 6, die sich von einem Strömungskanal 7 im Kraftstoffventil zur Düsenspitze auf eine niedrigere Höhe als die Düsenlöcher 5 erstreckt. In der Düse bilden die Bohrung 6 und die Löcher 5 einen Strömungskanal für den Kraftstoff, der Öl oder Gas sein kann.
Wenn die Düse für einen Zweitaktmotor mit einer Anzahl von Ventilen pro Zylinder bestimmt ist, ist jedes Kraftstoffventil 1 normalerweise nahe der senkrechten Seitenwand des Brennraums positioniert. In diesem Fall muß der Kraftstoff in einem fächerförmigen Nebel eingespritzt werden, der zur Mitte des Brennraums hin gerichtet ist, was bedeutet, daß die Düsenlöcher 5 sämtlich in einer Seite der Düse gebildet sind und daß die Längsachsen der Düsenlöcher einen Winkel von maximal 100º miteinander bilden. Wenn zwei oder drei Kraftstoffventile pro Zylinder verwendet werden, ist der Kugelwinkel oft auf weniger als 80º begrenzt. Die Düsenlöcher 5 sind durch die Seitenwand der Düse zur mittleren Bohrung 6 gebohrt. Die Löcher können auch auf andere Weise erzeugt werden, z.B. durch Funkenbearbeitung, jedoch wird das Bohren bevorzugt, weil dies eine schnelle und einfache mechanische Bearbeitung ist.
Zwei verschiedene Düsen 6 aus Gußstellit nach dem Stand der Technik wurden mittels eines Endoskops untersucht, wie es z.B. von Magenuntersuchungen beim Menschen bekannt ist. Mittels des Endoskops wurden Fotos von den Öffnungen der Düsenlöcher in die mittlere Bohrung gemacht. Ein Foto der mittleren Bohrung jeder Düse ist in Fig. 2 bzw. 3 gezeigt. Die ganze Strecke rundum den Rand der Düsenlöcher 5 sind Schuppen von der Seitenwand der mittleren Bohrung 6 abgesplittert, so daß der Übergang zwischen zwei sich schneidenden Bohrungen uneben und rauh ist.
Eine Düse nach der Erfindung wurde durch HIP-Behandlung eines isotropen feinkörnigen Pulvers von Stellit 6 hergestellt, wobei die Pulverkörner kleiner sind als 300 um. Stellit 6 hat eine angenäherte Analyse von 1,14% C, 1,06% Si, 28,5% Cr, 0,43% Fe, 4,65% W und dem Rest Co. Die HIP- Behandlung wurde bei einer Temperatur zwischen 1100 und 1200ºC und einem Druck zwischen 900 und 1100 bar sowie mit einer Haltezeit von 2 Stunden ausgeführt. Die mittlere Bohrung 6 wurde in den HIP-behandelten Rohling gebohrt, woraufhin die Düsenlöcher 5 von außen in die mittlere Bohrung gebohrt wurden. Die Düse wurde mittels des Endoskops untersucht, welches glatte Lochränder an den Öffnungen der Düsenlöcher in die mittlere Bohrung zeigte. Somit hat das HIP-behandelte Stellit 6 eine wesentlich bessere Bearbeitbarkeit als gegossenes Stellit 6. Die glatteren Lochränder bewirken kleinere Spannungskonzentrationen in der Düse.
Aus einer Legierung auf Nickelbasis mit der angenäherten Analyse von 23% Cr, 7% W, 5,6% Al, 1% Si, 0,5% C und 0,4% Y, jeweils in Gew.%, wurde eine HIP-behandelte Düse in der gleichen Weise wie oben hergestellt. Die Endoskopuntersuchung der Düse ist in den Fig. 4 bis 6 gezeigt, aus denen ersichtlich ist, daß die Ränder der Düsenlöcher an den Öffnungen in die mittlere Bohrung 6 scharf und ohne Absplitterungen sind.
Die HIP-behandelten Düsen wurden dann durch Betriebsversuche in einem Versuchsmotor getestet, was zeigte, daß beide Arten HIP-behandelter Düsen eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber Heißkorosion und der Bildung von Mikrorissen als die bekannten Gußdüsen aus Stellit 6 aufweisen. In dem Bereich zwischen den beiden einander nächsten Düsenlöchern wurden einige wenige sehr kleine Risse im Material in der HIP-behandelten Düse aus Stellit 6 beobachtet, während die HIP-behandelte Düse auf Nickelbasis vollständig rißfrei war.
Betriebsuntersuchungen mit Düsen aus gegossenem Stellit 6 und mit entsprechend eng benachbarten Düsenlöchern wie in der HIP-behandelten Düse zeigten größere durchgehende Risse und mehrere kleine Risse im Material. Die Vergleichsuntersuchungen zeigten somit, daß die Düse aus HIP-behandeltem Stellit 6 eine wesentlich verbesserte Ermüdungsfestigkeit besitzt.
HIP-behandelte Düsen wurden ferner aus der auf Kobaltbasis beruhenden Legierung Celsit 50-P hergestellt, wobei die angenäherte Analyse 2% C, 28% Cr, 6,5% Ni, 10% W, 3,7% Mo, 1,6% Cu und die Balance Co zeigte. Betriebsuntersuchungen mit diesen Düsen zeigten, daß die Ermüdungsfestigkeit und der Widerstand gegenüber Heißkorrosion gleichwertig mit Düsen aus HIP-behandeltem Stellit 6 waren.
Vergleichende Untersuchungen der maschinellen Bearbeitbarkeit wurden mit HIP-behandelten Legierungen von Stellit 6 und mit dem obigen Material auf Nickelbasis durchgeführt. Löcher wurden in plattenförmige Rohlinge gebohrt, und die Beschaffenheit des Lochrandes auf der Rückseite der Platte wurde untersucht, was die gleichen Ergebnisse wie bei den obigen Düsen ergab, nämlich, daß der Lochrand in den HIP-behandelten Platten bei den Platten aus Stellit 6 bruchfrei und scharfkantig bei den Platten aus dem Material auf Nickelbasis war.
Die mechanischen Eigenschaften der Düsenmaterialien wurden mittels der obigen Platten und mittels runder stangenförmiger Rohlinge aus gegossenem Stellit 6 und der HIP-behandelten Legierung auf Nickelbasis untersucht. Das Ergebnis hiervon ist in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt. Die Härtemessung und die Zugversuche wurden auf völlig herkömmliche Weise durchgeführt. Zusätzlich wurden die stangenförmigen Rohlinge Ermüdungstests unterzogen, wobei jeder Rohling an beiden Enden eingespannt war und pulsierenden Zuglasten in Längsrichtung mit einer Größenordnung von P ± P unterzogen wurde, nämlich einer Zugkraft, die zwischen 0 und 2P variierte. Die Rohlinge wurden 10 Millionen Zyklen ausgesetzt. Wenn der Rohling keinen Bruch zeigte, wurde die Last P um 10% erhöht und die 10 Millionen Zyklen wurden wiederholt. Wenn ein Bruch auftrat, wurde ein neuer Rohling eingesetzt, und die Last P wurde um 10% verringert, woraufhin der Prozeß wie oben beschrieben fortgeführt wurde. Nach der Untersuchung einer Anzahl von Rohlingen jeder Materialzusammensetzung wurde die Ermüdungsfestigkeit A als die untere Spannungslast bestimmt, die nach 10&sup7; Zyklen soeben keinen Bruch hervorrief. Die Tabelle 1 zeigt, daß gegossenes Stellit 6 eine Ermüdungsfestigkeit von A = ± 150 N/mm² hatte, während die HIP behandelte Legierung auf Nickelbasis eine Ermüdungsfestigkeit von A = ± 275 N/mm² zeigte. Tabelle 1 Mechanische Eigenschaften von Düsenmaterialien
Ersichtlich ist das HIP-behandelte Düsenmaterial sowohl wesentlich haltbarer als auch wesentlich duktiler als das gegossene Düsenmaterial, wie auch das HIP-behandelte Material eine wesentlich verbesserte Ermüdungsfestigkeit besitzt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Düse (4) für ein Kraftstoffventil (1) für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktgroßmotor, bei dem im wesentlichen isotropes, feinkörniges Pulver einer solchen Zusammensetzung, daß die fertig bearbeitete Düse Heißkorrosionsfestigkeit besitzt, in eine Form eingebracht und bei einem Druck von zumindest 800 bar und einer Temperatur von zumindest 1000ºC HIP-behandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Form im wesentlichen die gewünschte äußere Düsenform aufweist, daß die HIP-Behandlung zumindest eine Stunde bei dem erwähnten Druck und der erwähnten Temperatur dauert und daß ein Strömungskanal mit einer mittleren Längsbohrung (6) und einer Anzahl von Düsenlöchern (5) in den auf diese Weise HIP-behandelten Rohling gebohrt wird, wodurch die Lochränder der Düsenlöcher am Übergang zur mittleren Bohrung scharf werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenrohling eine austenitische Nickelphase umfaßt und daß nach der mechanischen Bearbeitung der Rohling einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 550 bis 1100ºC, vorzugsweise 700 bis 850ºC, für einen Zeitraum von zumindest 5 Stunden unterzogen wird, wodurch eine Festphasenumwandlung stattfindet, bei der eine ferritische α- Phase in sehr feiner Verteilung in die austenitische Nickelphase als Teilchen niedergeschlagen wird.

3. Düse (4) für ein Kraftstoffventil (1) für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktgroßmotor, mit einer mittleren Längsbohrung (6) und einer Anzahl von Düsenlöchern (5), die in der Seitenwand der Düse angeordnet sind und, zusammen mit der Längsbohrung, einen Strömungskanal für unter Druck stehenden Kraftstoff bilden, welche Düse (4) von einem Material gebildet ist, das gegenüber Heißkorrosion und erosiven Einflüssen des Kraftstoffes resistent ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (4) von einer HIP-behandelten Legierung auf Kobaltbasis gebildet ist, die Chrom und Wolfram umfaßt, wie etwa Stellit 6, und der Strömungskanal für den Kraftstoff nach der HIP-Behandlung gebohrt ist, wodurch die Lochränder der Düsenlöcher am Übergang zur mittleren Bohrung scharf werden.

4. Düse (4) für ein Kraftstoffventil (1) für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktgroßmotor, mit einer mittleren Längsbohrung (6) und einer Anzahl von Düsenlöchern (5), die in der Seitenwand der Düse angeordnet sind und, zusammen mit der Längsbohrung, einen Strömungskanal für unter Druck stehenden Kraftstoff bilden, welche Düse (4) von einem Material gebildet ist, das gegenüber Heißkorrosion und erosiven Einflüssen des Kraftstoffes resistent ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (4) von einer HIP-behandelten Legierung auf Nickelbasis gebildet ist, die, in Gew.% und abgesehen von allgemein vorkommenden Verunreinigungen, 20 bis 30% Cr, 0 bis 8% W, 4 bis 8% Al, 0,2 bis 0,55% C, 0 bis 2% Hf, 0 bis 1,5% Nb, 0 bis 8% Mo, bis 1% Si, 0 bis 1,5% Y und 0 bis 5% Fe umfaßt, und der Strömungskanal für den Kraftstoff nach der HIP-Behandlung gebohrt ist, wodurch die Lochränder der Düsenlöcher am Übergang zur mittleren Bohrung scharf werden.

5. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung maximal 6% Al umfaßt.

6. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 0,35 bis 0,55% C umfaßt.

7. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung maximal 24% Cr umfaßt.

8. Düse (4) für ein Kraftstoffventil (1) für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktgroßmotor, mit einer mittleren Längsbohrung (6) und einer Anzahl von Düsenlöchern (5), die in der Seitenwand der Düse angeordnet sind und, zusammen mit der Längsbohrung, einen Strömungskanal für unter Druck stehenden Kraftstoff bilden, welche Düse (4) von einem Material gebildet ist, das gegenüber Heißkorrosion und erosiven Einflüssen des Kraftstoffes resistent ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (4) von einer HIP-behandelten Legierung auf Nickelbasis gebildet ist, die, in Gew.% und abgesehen von allgemein vorkommenden Verunreinigungen, 40 bis 50% Cr, 0 bis 0,55% C, weniger als 1,0% Si, 0 bis 5,0% Mn, weniger als 1,0% Mo, 0 bis weniger als 0,5% B, 0 bis 8,0% Al, 0 bis 1,5% Ti, 0 bis 0,2% Zr, bis 3,0% Nb, maximal 0,01% O, maximal 0,03% N, maximal 2% Hf, maximal 1,5% Y, einen zusammengenommenen Gehalt an Co und Fe von maximal 5,0% und den Rest Ni umfaßt, und der Strömungskanal für den Kraftstoff nach der HIP-Behandlung gebohrt ist, wodurch die Lochränder der Düsenlöcher am Übergang zur mittleren Bohrung scharf werden.

9. Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung maximal 6% Al umfaßt.

10. Düse nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zumindest 2,5% Al umfaßt.

11. Düse nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung maximal 0,1% C und maximal 0,5% Hf umfaßt.

12. Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung maximal 0,45% Al, maximal 0,1% C und maximal 0,1% Ti umfaßt.

13. Düse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zumindest 0,5% Ti und vorzugsweise zumindest 0,5% Hf umfaßt.

14. Düse nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung zumindest 45% Cr und 0,15 bis 0,40% B, vorzugsweise maximal 0,25% B, umfaßt.

15. Düse nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 1,0 bis 2,0% freies Nb umfaßt.

16. Düse nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse sechs, sieben oder mehr Düsenlöcher (5) aufweist, die sämtlich mit ihren Längsachsen in einem Kugelwinkel von maximal 100º und vorzugsweise maximal 80º angeordnet sind.