DE69530396T2

DE69530396T2 - Titaniummaschinenventil

Info

Publication number: DE69530396T2
Application number: DE69530396T
Authority: DE
Inventors: M. Paul JETTE; W. Alfred SOMMER
Original assignee: Del West Engineering Inc
Current assignee: Del West Engineering Inc
Priority date: 1994-08-11
Filing date: 1995-08-09
Publication date: 2004-03-25
Anticipated expiration: 2015-08-10
Also published as: JPH10504367A; WO1996005414A1; EP0775253B1; ATE237741T1; AU3215995A; EP0775253A1; US5517956A; EP0775253A4; DE69530396D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Titanventile für Brennkraftmaschinen und spezieller ein Ventil, dessen Kopfteil und Schaftteil einzeln hergestellt, wärmebehandelt und anschließend gefügt werden können.
2. Stand der Technik
Zur Herstellung von Motorventilen für Renn- und andere hochleistungsfähige Motoren sind seit langem Titanlegierungen verwendet worden. In letzterer Zeit sind intermetallische Verbindungen zwischen Aluminium und Titan, Titandiboride und andere intermetallische Verbindungen aus Titan (TiC) verwendet worden, um Motorventile herzustellen. Für solche Anwendungen ist Titan wegen seines hohen Festigkeit-Gewicht-Verhältnisses besonders gut geeignet. Die relativ hohen Kosten von Titan wurden jedoch zum Abschreckungsmittel hinsichtlich seiner Nutzung für Ventile in Anwendungen für Personenkraftwagen mit größerem Hubraum, bei denen Stahl das gewählte Material für Ventile bleibt. Trotzdem empfehlen die Leistungsvorteile, die mit Ventilen aus Titan realisiert werden können, sie als eine zunehmend attraktive Alternative für Motoren von Personenkraftwagen.
Neben den höheren Materialkosten von Titan im Verhältnis zu Stahl ist die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren erforderliche Weiterverarbeitung ein wichtiger Grund für die höheren Kosten von Ventilen aus Titan. Titanlegierungen, die zur Herstellung von Motorventilen verwendet werden, machen Wärmebehandlungen erforderlich, die ein Verwinden oder Verdrehen des Schaftes des Ventilrohlings verursachen. Obwohl dieses gleiche Problem auftritt, wenn die Motorventile aus Stahl wärmebehandelt werden, kann die Verwindung von Ventilen aus Stahl durch mechanisches Richten bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur ziemlich leicht beseitigt werden. Im Falle von Ventilen aus Titanlegierungen macht das hohe Verhältnis von Festigkeit zu Elastizitätsmodul von Titan diese Lösung unzweckmäßig. Das bei Titanventilen typischerweise genutzte Verfahren soll sie daran hindern, sich bei thermischer Bearbeitung zu verwinden. Eine solche Zwangsführung wird normalerweise bewirkt, indem das Ventil an einem gitterförmigen Gestell mit dem nach unten ragenden Schaft aufgehängt wird. Die Beschickung solcher Gestelle wird normalerweise per Hand vorgenommen und ist sehr zeitaufwendig. Darüber hinaus sind die Gestelle selbst teuer und neigen dazu, sich nach mehrfachem Gebrauch auf Grund der erhöhten Temperaturen, denen sie ausgesetzt sind, zu verdrehen. Sobald sich die Gestelle verdrehen, stellen sie die beabsichtigte Halterung nicht länger zur Verfügung und müssen deshalb ständig überwacht, repariert und/oder ersetzt werden.
Die spröde Beschaffenheit von Titankarbiden (TiC) bei Raumtemperatur macht mechanisches Richten unmöglich. Darüber hinaus ist das Streckkühlen wie bei Ventilen aus Titanlegierungen keine praktische Lösung, da die Ventilrohlinge aus TiC sich nur durch vertikales Streckkühlen bei einer sehr hohen Temperatur richten lassen werden und die Verdrehung beim Gieß- oder Vorformvorgang auftreten kann. Die gegenwärtig eingesetzte Lösung besteht darin, Rohlinge mit Übergröße zu verwenden, wobei das überschüssige Material auf den gewünschten Mantel maschinell bearbeitet oder geschliffen wird.
Die spröde Beschaffenheit und geringe Festigkeit von Titankarbiden (TiC) bei Raumtemperatur oder in deren Nähe behindert auch aus einem anderen Grund ihre Gebrauchseignung bei Motoren. Die verschiedenen Ventilbetätigungsmechanismen, die gegenwärtig zum Öffnen oder Schliessen von Ventilen eingesetzt werden, können an oder nahe der Zentriernut, die in der Nähe der Oberseite von jedem Ventilschaft angeordnet ist, große Biegekräfte aufbringen. Der primäre Wert der Titankarbide besteht darin, Festigkeit im Brennraumbereich des Ventils (d. h. im Bereich des Ventilkopfes), in dem es heiß ist, zu bewirken. Damit würde ein Ventil, das aus einem festen, verformbaren normalen Titanlegierungsmetall im oberen Bereich des Schaftes besteht, kombiniert mit einem Titankarbid im unteren Bereich des Schaftes und des Ventilkopfes die bauliche Vollständigkeit an dem Ventil optimieren.
Es ist bekannt, Motorventile aus Stahl zweiteilig herzustellen. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 4 073 474 ein stauchgeschmiedetes Ventil, in dem zumindest das Kopfteil und das Ansatzteil des Ventils aus einer Superlegierung (hochtemperaturfest) und das restliche Schaftteil des Ventils aus einem normalen Ventilstahl hergestellt sind. Die beiden Teile des Ventils werden durch Reibschweißen vor dem Schmiedeprozess gefügt. Es sind auch Ventile aus Mischtitan vorgeschlagen worden. In dieser Hinsicht schlägt das US-Patent 4 729 546 vor, dass Kopf und Schaft eines Titanventils als verschiedenartige Vorformlinge getrennt hergestellt werden können, die anschließend durch (Schwungradreibschweissen) miteinander verschweißt werden. Das US-Patent Nr. 4 852 531 offenbart ein Titanventil mit pulverigen Vorformlingen von Kopf und Schaft, die durch Kaltpressen gefügt und anschließend im Vakuum gesintert werden. In den beiden letztgenannten Patenten werden Kopf- und Schaftteil des Ventils innerhalb des Hohlkehlen-Bereiches oder diesem benachbart gefügt. Wenn das sich ergebende Ventil in einem Motor eingebaut ist, wird zumindest ein Teil des Schaftteils unterhalb der Ventilführung vorstehen und, im Falle eines Abgasventils, den Abgasen ausgesetzt sein.
Zusammenfassung
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Bildung einer Ventilbaugruppe einer Brennkraftmaschine mit einem Ventil aus Titan, einer Ventilführung und eines Ventilbetätigungsmechanismus' zur Hin- und Herbewegung des Ventils in der Ventilführung nach Anspruch 1 vorgesehen.
Weiter ist gemäß der Erfindung eine Ventilbaugruppe einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 vorgesehen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt die vorliegende Erfindung ein Motorventil aus Titan bereit, das mit getrenntem Kopf- und Schaftteil, die vorzugsweise durch Schwungradreibschweissen und/oder Diffusionskontaktherstellung gefügt werden, hergestellt ist. Die Verbindung zwischen dem Kopfteil und dem Schaftteil befindet sich etwa oberhalb an dem Ventilschaft, so dass sie nicht unterhalb der Ventilführung hervorsteht. Für das Kopfteil, welches unter Verwendung von normalen Verfahren geschmiedet und wärmebehandelt ist, wird eine normale, hochfeste Titanlegierung verwendet. Alternativ dazu kann das Kopfteil aus gegossenem oder geschmiedetem, wärmebehandelten Titankarbid bestehen. Jedoch kann das Schaftteil, welches der aggressiven Umgebung des Brennraums nicht direkt ausgesetzt ist, mit einem vom Hersteller geglühten Rundstab aus einer normalen Titanlegierung hergestellt werden. Das sich ergebende Ventil wird deshalb viel weniger teuer herzustellen sein als ein herkömmliches Titanventil, ohne irgendwelche mechanische Eigenschaften in den Teilstücken des Ventils zu opfern, die hoher Belastung und Temperatur ausgesetzt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen
1 eine Teilquerschnittsansicht einer Brennkraftmaschine, die das Ventil der vorliegenden Erfindung verwendet;
2 eine Seitenansicht, die ein Beispiel eines Titanventils darstellt, das nach der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden Beschreibung werden zum Zweck der Erläuterung und nicht zur Einschränkung spezielle Einzelheiten angeführt, um durchweg Verständnis der vorliegenden Erfindung zu bewirken. Einem Fachmann wird jedoch verständlich, dass die vorliegende Erfindung in anderen Ausführungsbeispielen in die Praxis umgesetzt werden kann, die von diesen spezifischen Einzelheiten abweichen. In anderen Beispielen sind ausführliche Beschreibungen von bekannten Werkstoffen und Verfahren weggelassen, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nicht mit unnötigen Einzelheiten undeutlich zu machen.
1 stellt eine typische moderne, hochleistungsfähige Brennkraftmaschine dar. In dem Zylinderkopf 12 ist ein Auslassventil 10 und ein Einlassventil 11 angeordnet. Es ist nur ein einziges Einlassventil und ein einziges Auslassventil angeordnet, obwohl verständlich wird, dass moderne, hochleistungsfähige Motoren jetzt vier oder sogar fünf Ventile pro Zylinder besitzen. Eine weitere Beschreibung wird auf das Auslassventil beschränkt, obwohl verständlich wird, das Vieles der folgenden Beschreibung auch für das Einlassventil zutreffend ist. Das Kopfteil 14 des Auslassventils paßt mit dem Ventilsitz 16 zusammen, um den Auslasskanal 18 vom Brennraum 20 abzudichten. Das Ventil 10 wird durch einen gegen den Ventilstößel 24 wirksamen Nocken 22 betätigt. Das Ventil 10 ist durch eine Feder 26 in die geschlossene Stellung vorgespannt. Die Feder 26 ist zwischen dem Zylinderkopf 12 und der Rückhaltevorrichtung 28 der Ventilfeder zusammengedrückt. Es können andere Ventilbetätigungsmechanismen, wie Luftfedern oder eine direkte Hebelbetätigung eingesetzt werden. Das Ventil 10 führt eine Hin- und Herbewegung in der Ventilführung 30 aus, die eine Dichtung gegen den Ventilschaft enthält, um das Austreten von Abgasen und auch das Eindringen von Schmieröl in den Brennraum zu verhindern.
Mit Bezug jetzt auch auf 2 wird das Kopfteil 14 und das obere Schaftteil 15 des Ventils 10 an der Schnittstelle 32 über dem Hohlkehlen-Bereiches 17 gefügt. In 1 wird beobachtet, dass die Schnittstelle 32 während des gesamten Hubes des Ventils 10 in der Ventilführung 30 bleibt . So ist nur das Kopfteil 14 des Ventils 10 den Abgasen ausgesetzt, wenn das Ventil beim Ausschiebetakt des Motors offen ist. Typischerweise und speziell für Anwendungen in PKW ist nur für diesen Teil des Ventils die verbesserte Materialfestigkeit erforderlich, die durch Wärmebehandlung des Ventilwerkstoffes entwickelt wird. Das obere Schaftteil 15, das in oder über der Ventilführung 30 bleibt, erfordert nur die mechanischen Eigenschaften einer vom Hersteller geglühten Titanlegierung. Folglich kann das obere Schaftteil 15 aus einem vom Hersteller geglühten Rundstab ohne weitere Wärmebehandlung bequem hergestellt werden.
Das Kopfteil 14 des Ventils 10 einschließlich des Hohlkehlen-Bereiches 17 und des unteren Teils des Schaftes, der sich bis zu der Schnittstelle 32 erstreckt, ist ausreichend kurz, so dass er wärmebehandelt werden oder einem isostatischen Heisspressen (HIP) ausgesetzt werden kann, ohne streckgekühlt zu werden, wie es für eine Wärmebehandlung von kompletten Titanventilen notwendig ist. Die kurze Schaftlänge des Kopfteils 14 behält während des Wärmebehandlungsprozesses ihre ursprüngliche Form bei, so dass nur die abschließende maschinelle Bearbeitung erforderlich ist, um ein beliebiges Verdrehen zu korrigieren.
Das Kopfteil 14 kann jede beliebige normale hochfeste Hochtemperatur-Titanlegierung vorzugsweise mit einem Aluminiumgehalt von 8 Gew.-% oder weniger aufweisen. Geeignete Legierungen enthalten 6-4 (Ti-6Al-4V), 6242s (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0,1 Si) und 6246 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo). Das Kopfteil kann auch aus intermetallischen Titanverbindungen hergestellt sein. Das Kopfteil 14 wird vorzugsweise geschmiedet und anschließend wärmebehandelt und/oder isostatisch heissgepresst, dem ein beliebiger notwendiger Vorbearbeitungsvorgang folgt. Die Wärmebehandlung für Abgasventile wird typischerweise direkt oberhalb der Beta-Transus-Temperatur vorgenommen, wodurch eine relativ grobe Mikrostruktur mit Kolonien gebildet wird. Die Einlassventile werden typischerweise unterhalb der Beta-Transus-Temperatur wärmebehandelt, um eine relativ feinkörnige Mikrostruktur zu erhalten.
Das obere Schaftteil 15 kann aus einer einschließlich 6-4 oder kommerziell reinen (CP) Titanlegierung bestehen, die relativ weniger teurer ist. Das obere Schaftteil kann entweder durch Walzen, Ziehen oder Giessen gebildet werden. Falls gewünscht, wird der Schaft wärmebehandelt und/oder getrennt vom Kopfteil des Ventils isostatisch wärmegepresst. Das obere Schaftteil 15 kann entweder im Zustand einer geraden Stange weiter verarbeitet oder vorher maschinell bearbeitet und/oder geschliffen werden, bis es gerade ist. Nach ihren jeweiligen Vorbearbeitungsvorgängen werden Kopfteil 14 und oberes Schaftteil 15 durch Diffusions-Kontaktherstellung, Schwungradreibschweissen oder Reibschweissen gefügt, die alle relativ niedrige Temperaturen bedingen (etwa unterhalb der Beta-Transus-Temperatur) und eine axiale und radiale Ausrichtung des sich ergebenden Ventils gewährleisten. Anschließend wird die Endbearbeitung auf die im Einzelnen bezeichneten Toleranzen ausgeführt.
Es wird erkannt werden, dass die oben beschriebene Erfindung in anderen spezifischen Formen verkörpert werden kann. So wird verständlich, dass die Erfindung nicht auf die vorhergehenden veranschaulichenden Einzelheiten zu beschränken ist, sondern vielmehr durch die angefügten Patentansprüche definiert werden soll.

Claims

Verfahren zur Bildung einer Ventilbaugruppe einer Brennkraftmaschine, die ein Titan-Ventil (10), eine Ventilführung (30) und einen Ventilbetätigungs-Mechanismus (22, 24) zur Hin- und Herbewegung des Ventils in der Ventilführung aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Formen eines Kopfteils (14) eines Ventils (10), das aus einem ersten, Titan enthaltenden, Werkstoff besteht, wobei das Kopfteil einen Hohlkehlen-Bereich (17) und einen unteren Schaftbereich umfasst; (b) Wärmebehandeln des Kopfteils; und (c) Formen eines oberen Schaftteils (15) des Ventils (10), das aus einem zweiten, Titan enthaltenden, Werkstoff besteht, dadurch gekennzeichnet, dass (d) das obere Schaftteil (15) anschließend an das Formen keiner weiteren Wärmebehandlung ausgesetzt ist; und (e) Verbinden des oberen Schaftteils (15) mit dem unteren Schaftbereich des Kopfteils (14) an einer Stelle (32), so dass sich das Schaftteil nicht unterhalb der Ventilführung erstreckt, wenn das Titan-Ventil durch den Ventilbetätigungs-Mechanismus hin- und herbewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kopfteil (14) und das obere Schaftteil (15) durch Diffusionsverbindung verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kopfteil (14) und das obere Schaftteil (15) durch Schwungrad-Reibschweißen verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kopfteil (14) und das obere Schaftteil (15) durch Reibschweißen verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Werkstoff eine intermetallische Titanverbindung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Kopfteil (14) bei einer Temperatur oberhalb der Beta-Transus-Temperatur (β-Umwandlungstemperatur) des ersten, Titan enthaltenden, Werkstoffs wärmebehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff Titanlegierungen sind.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der zweite Werkstoff eine intermetallische Titanverbindung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das obere Schaftteil (15) aus einem vom Hersteller geglühten Stab gebildet ist.
Ventilbaugruppe einer Brennkraftmaschine mit einem Titan-Ventil (10), einer Ventilführung (30) und einem Ventilbetätigungs-Mechanismus (22, 24) zur Hin- und Herbewegung des Ventils in der Ventilführung, wobei das Titan-Ventil (10) ein Kopfteil (14) aufweist, das aus einem ersten Werkstoff besteht, der Titan aufweist, wobei das Kopfteil einen Hohlkehlen-Bereich (17) und einen unteren Schaftbereich umfasst, wobei das Kopfteil einem Wärmebehandlungsprozess unterzogen wurde, wobei der untere Schaftbereich des Kopfteils (14) mit einem oberen Schaftteil (15), der aus einem zweiten, Titan enthaltenden, Werkstoff besteht, verbunden wurde, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Schaftteil (15) anschließend an das Formen und vor dem Fügen keiner weiteren Wärmebehandlung unterzogen wurde, wobei das obere Schaftteil (15) mit dem unteren Schaftbereich des Kopfteils (14) an einer Stelle (32) verbunden wurde, so dass das Schaftteil sich nicht unterhalb der Ventilführung erstreckt, wenn das Titan-Ventil durch den Ventilbetätigungs-Mechanismus hin- und herbewegt wird.