DE69703654T2

DE69703654T2 - Auslassventil für verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE69703654T2
Application number: DE69703654T
Authority: DE
Inventors: Andreas Hoeg
Original assignee: MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN B&W Diesel AS
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1997-06-03
Publication date: 2001-05-10
Anticipated expiration: 2017-06-04
Also published as: KR20000016046A; DK64296A; JP2000505149A; US6298817B1; EP0901565A1; US6443115B1; ES2153667T3; NO985515L; KR100419435B1; AU3090397A; DE69703654D1; CN1221473A; PL330430A1; NO320598B1; DK173348B1; ATE197982T1; NO985515D0; JP3422494B2; US20020020384A1; CN1088149C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Auslaßventil für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktkreuzkopfmotor, das eine bewegliche Spindel mit einem Ventilteller umfaßt, der an seiner oberen Fläche einen ringförmigen Sitzbereich aus einer Legierung aufweist, die von der Grundlegierung des Ventiltellers verschieden ist, wobei dieser Sitzbereich in der geschlossenen Ventilposition an einem entsprechenden Sitzbereich an einem stationären Ventilelement anliegt.
Die Entwicklung von Auslaßventilen für Verbrennungsmotoren zielte viele Jahre lang darauf ab, die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Ventile zu erhöhen. Dies wurde bisher erreicht, indem die Ventilspindeln mit einem hitzekorrosionsbeständigen Material auf der unteren Tellerfläche und einem harten Material im Sitzbereich hergestellt wurden.
Der Sitzbereich ist besonders entscheidend für die Zuverlässigkeit des Auslaßventils, da das Ventil dicht schließen muß, um korrekt zu funktionieren. Es ist bekannt, daß die Fähigkeit des Sitzbereichs, dicht zu schließen, durch Korrosion in einem örtlichen Bereich durch sogenanntes Durchbrennen verringert werden kann, bei dem über der ringförmigen Dichtungsfläche eine kanalförmige Furche entsteht, durch die heißes Gas strömt, wenn das Ventil geschlossen ist. Unter ungünstigen Umständen kann dieser Fehlzustand auftreten und sich innerhalb von weniger als 80 Betriebsstunden zu einem defekten Ventil entwickeln, was bedeutet, daß es häufig nicht möglich ist, den entstehenden Ausfall bei der gewöhnlichen Überholung zu entdecken. Daher kann ein Durchbrennen im Ventilsitz unplanmäßige Stillegungen verursachen. Wenn der Motor ein Antriebsmotor in einem Schiff ist, kann der Zustand während einer einzelnen Fahrt zwischen zwei Häfen eingeleitet werden und sich zu einem defekten Ventil entwickeln, was Probleme während der Fahrt und eine unbeabsichtigt kostspielige Wartezeit im Hafen verursachen kann.
Im Hinblick darauf, ein Durchbrennen im Ventilsitz zu verhindern, sind über die Jahre viele verschiedene Ventilsitzmaterialien mit ständig steigenden Härten entwickelt worden, um den Sitz mit Hilfe der Härte abnutzungsbeständig zu machen und die Bildung von Vertiefungen zu verringern. Die Vertiefungen sind eine Voraussetzung für die Entwicklung eines Durchbrennens, da die Vertiefungen eine kleine Undichtigkeit erzeugen können, durch die heißes Gas strömt. Das heiße Gas kann das Material um die undichte Stelle herum auf ein Temperaturniveau erwärmen, bei dem das Gas mit den aggressiven Komponenten eine korrosive Wirkung auf das Sitzmaterial ausübt, so daß die Undichtigkeit rasch größer wird und die Undichtigkeitsströmung von heißem Gas zunimmt, wodurch die Erosion immer größer wird. Zusätzlich zur Härte sind die Sitzmaterialien ebenfalls in Richtung einer höheren Hitzekorrosionsbeständigkeit entwickelt worden, um die Erosion nach dem Auftreten einer kleinen Undichtigkeit zu verzögern. Die speziellen Anforderungen an das Sitzmaterial und die vom Durchschnitt abweichenden speziellen Anforderungen an die Materialeigenschaften in anderen Bereichen des beweglichen Ventilelements erfordern einen Sitzbereich eines Materials, das vom Grundmaterial des Ventiltellers verschieden ist, was ebenfalls Vorteile bei der Herstellung bereitstellt. Eine Reihe von Beispielen bekannter Sitzmaterialien wird unten gegeben.
WO 92/13179 beispielsweise beschreibt die Verwendung der Legierung auf der Basis von Nickel Alloy 50, der Legierung auf der Basis von Cobalt Stellite 6 und einer Legierung auf der Basis von Nickel, deren wichtigste Legierungskomponenten 20 - 24% Cr, 0,2 - 0,55% C und 4 - 7% Al sind. Eine genannte Aufgabe besteht darin, daß Sitzmaterialien hart sein sollen, um die Bildung von Vertiefungen zu verringern.
SE-B-422 388 beschreibt ein Ventil für einen Verbrennungsmotor, der einen Grundkörper aus einer chromhaltigen Nickellegierung aufweist, auf die eine chromhaltige Cobaltlegierung bei einer Temperatur über 3000ºC aufgedampft ist, woraufhin der Körper einer mechanischen Behandlung und Vergütung bei einer Temperatur, die höher als die Betriebstemperatur ist, ausgesetzt wird. Eine Aufgabe hiervon ist es, die Korrosionsbeständigkeit des Sitzmaterials zu verbessern und ihm eine hohe Härte zu verleihen.
DK-B-165125 lehrt ein Auslaßventil für einen Verbrennungsmotor mit einem Sitzbereich mit einem korrosionsbeständigen Überzug einer Legierung, die 13 - 17% Cr, 2 - 6% Al, 0,1 - 8% Mo, 1,5 - 3,5% B, 0,5 - 3% Ti, 4 - 7% Co und einen Rest Ni umfaßt. Eine hohe Härte des Sitzmaterials ist erwünscht.
US-A-4 425 300 lehrt eine Aufschweißlegierung, die 10 - 25 % Cr, 3 - 15% Mo, 3 - 7% Si, 1 - 1,2% C, 1 - 30% Fe und einen Rest Ni umfaßt. Die Legierung weist keine Porosität auf und weist eine Härte auf, die mit der von Legierungen auf der Basis von Cobalt vergleichbar ist.
EP-A-0529208 lehrt eine nickel- und chromhaltige Aufschweißlegierung zum Aufschweißen im Ventilsitzbereich in einem Kraftfahrzeugmotor. Die Legierung enthält 30 - 48% Ni, 1,5 - 15% W und/oder 1,0 - 6, 5% Mo, und der Rest besteht aus mindestens 40% Cr. W und Mo weisen eine lösungsverstärkende Wirkung auf die Legierung auf. C kann in einer Menge von 0,3 bis 2,0% zugegeben werden, um die Härte durch Carbidbildung zu erhöhen, und B kann in einer Menge von 0,1 bis 1,5% zugegeben werden, um die Härte durch Chromboridbildung zu erhöhen. Nb kann zur Bildung von intermetallischen Verbindungen, die die Härte erhöhen, sowie von Carbiden und Boriden in einer Menge von 1,0 bis 4,0% zugegeben werden.
EP-A-0 521 821 lehrt ein Ventil, das aus NIMONIC 80A oder NIMONIC 81 hergestellt ist, das mit einer Schicht aus INCONEL 625 oder INCONEL 671 im Sitzbereich versehen ist, um dem Sitz eine größere Korrosionsbeständigkeit zu verleihen als dem Grundkörper aus NIMONIC. Die Veröffentlichung erwähnt hinsichtlich der Legierung INCONEL 671, daß sie nur aufgeschweißt werden muß, während sie hinsichtlich der Legierung INCONEL 625 erwähnt, daß sie nach dem Schweißen eine dendritische Carbidstruktur enthält und daß der Sitzbereich daher warmbearbeitet werden muß, um die Carbidverteilung in der Struktur zu homogenisieren, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Das Buch 'Diesel engine combustion chamber materials for heavy fuel operation', veröffentlicht 1990 durch das Institute of Marine Engineers, London, stellt die Erfahrung, die im Bereich von Auslaßventilmaterialien gewonnen wurde, in einer Reihe von Artikeln zusammen und stellt Empfehlungen hinsichtlich der Gestaltung von Ventilen bereit, um eine lange Lebensdauer zu erzielen. Ventilsitze betreffend weist der Artikel einstimmig an, daß das Sitzmaterial eine hohe Härte aufweisen muß und aus einem Material mit einem hohen Widerstand gegen Hitzekorrosion bestehen muß. Eine Reihe verschiedener bevorzugter Materialien für Auslaßventile sind in Blatt 7 des Buchs 'The physical and mechanical properties of valve alloys and their use in component evaluation analyses' beschrieben, wobei die Analyse der mechanischen Eigenschaften der Materialien eine vergleichende Tabelle der Streckgrenze der Materialien umfasst, die, wie ersichtlich, unterhalb von etwa 820 MPa liegt.
Es ist wünschenswert, die Lebensdauer des Auslaßventils zu verlängern und insbesondere die unvorhersehbare und rasche Entwicklung von Durchbrennen im Sitzbereich des Ventils zu verringern oder zu vermeiden. Die Anmelderin hat Tests zur Vertiefungsbildung bei Sitzmaterialien durchgeführt und hat im Gegensatz zum Stand der Technik recht unerwarteterweise nachgewiesen, daß die Härte des Sitzmaterials keinen großen Einfluß darauf hat, ob die Vertiefungen auftreten. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Sitzmaterialien zu schaffen, die dem Mechanismus zuvorkommen, der zur Bildung von Vertiefungen führt, wobei die Grundbedingung für das Auftreten von Durchbrennen geschwächt oder beseitigt wird.
Im Hinblick darauf ist das Auslaßventil gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Sitzbereich an der oberen Fläche des Ventiltellers aus einer Legierung gefertigt ist, die eine Streckgrenze von mindestens 1000 MPa bei einer Temperatur von etwa 20ºC aufweist.
Vertiefungen werden durch partikuläre Verbrennungsrückstände, wie beispielsweise Kokspartikel, gebildet, die von der Verbrennungskammer hinauf durch das Ventil und in das Abgassystem strömen, während das Auslaßventil offen ist. Wenn das Ventil schließt, können die Partikel zwischen den schließenden Dichtflächen an den Ventilsitzen eingeklemmt werden.
Im Zuge von Studien zahlreicher Vertiefungen bei Ventilspindeln in Betrieb ist beobachtet worden, daß neue Vertiefungen sehr selten den oberen Schließrand erreichen, das heißt die Umfangslinie, an der das obere Ende des stationären Ventilsitzes in Kontakt mit dem beweglichen konischen Ventilsitz gebracht wird. In der Praxis enden die Vertiefungen etwa 0,5 mm vom Schließrand entfernt, wofür keine unmittelbare Erklärung vorliegt, da erwartet werden kann, daß auch in diesem Bereich eine Partikel eingeklemmt werden kann.
Es ist nun erkannt worden, daß die Abwesenheit von Vertiefungen unmittelbar am Schließrand auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß Kokspartikel und andere, selbst sehr harte Partikel zu Pulver zerdrückt werden, bevor das Ventil vollständig geschlossen ist. Ein Teil des Pulvers wird gleichzeitig mit dem Zerdrücken der Partikel weggeblasen, da das Gas etwa mit Schallgeschwindigkeit durch den Spalt zwischen den Schließ-Dicht-Flächen aus der Verbrennungskammer herausströmt. Die hohe Gasgeschwindigkeit bläst das Pulver in der Nähe des Schließrands weg, und die Abwesenheit von Vertiefungen bis zu den Rändern zeigt, daß etwa sämtliche Partikel, die zwischen den Dichtflächen eingeklemmt werden, pulverisiert werden. Selbst die Stärke sehr dicker Partikel wird durch das Zerdrücken und Wegblasen des Pulvers verringert, und in der Praxis weisen die abgelagerten Pulveransammlungen, die in der Lage sind, die Vertiefungen zu bilden, eine maximale Stärke von 0,5 mm und eine normale Höchststärke von 0,3 - 0,4 mm auf.
Insbesondere innerhalb der neuesten Motorenentwicklung, bei der der Höchstdruck 195 bar betragen kann, kann die Last auf der unteren Fläche des Tellers bis zu 400 Tonnen entsprechen. Wenn das Auslaßventil geschlossen ist und der Druck in der Verbrennungskammer auf den Höchstdruck ansteigt, werden die Dichtflächen um eine eingeschlossene Pulveransammlung herum vollständig zusammengedrückt. Dies kann nicht verhindert werden, egal wie hart die Sitze gefertigt sind.
Wenn die Verbrennung des Kraftstoffs beginnt und der Druck im Zylinder und demzufolge die Last, die auf den Ventilteller wirkt, zunimmt, beginnt die abgelagerte Pulveransammlung, in die beiden Dichtflächen einzudringen, und gleichzeitig werden die Sitzmaterialien elastisch verformt. Während dieser elastischen Verformung steigt der Oberflächendruck zwischen der Pulveransammlung und den Dichtflächen an, was gewöhnlich dazu führt, daß die Pulveransammlung zu einem größeren Bereich verformt wird. Wenn die Pulveransammlung ausreichend dick ist, hält die elastische Verformung an, bis der Druck im Kontaktbereich der Pulveransammlung die Streckgrenze des Sitzmaterials mit der niedrigsten Streckgrenze erreicht, woraufhin dieses Sitzmaterial plastisch verformt wird und die Bildung von Vertiefungen beginnt. Die plastische Verformung kann aufgrund von Umformungshärtung einen Anstieg der Streckgrenze zur Folge haben. Wenn die beiden Sitzlegierungen im lokalen Bereich um die Pulveransammlung herum demgemäß eine gleichförmige Streckgrenze erreichen, beginnt die Pulveransammlung, die andere Sitzlegierung ebenfalls plastisch zu verformen.
Wenn der Bildung von Vertiefungen entgegengewirkt werden soll, kann dies, wie oben erwähnt, nicht erfolgen, indem die Sitzlegierungen härter gefertigt werden, sondern sie müssen vielmehr elastisch gefertigt werden, was erreicht wird, indem die Sitzbereiche mit einer hohen Streckgrenze hergestellt werden. Die höhere Streckgrenze stellt eine doppelte Wirkung bereit. Erstens kann das Sitzmaterial aus einer Legierung mit der höheren Streckgrenze einer höheren elastischen Dehnung ausgesetzt werden und demzufolge eine dickere Pulveransammlung absorbieren, bevor eine plastische Verformung auftritt. Die zweite wesentliche Wirkung steht mit der Oberflächenbeschaffenheit der Dichtflächen in den Bereichen, die der Pulveransammlung zugewandt sind, in Zusammenhang. Das Vertiefungsprofil, das durch die elastische Verformung gebildet wird, ist gleichmäßig und glatt und fördert die Verteilung der Pulveransammlung auf einen größeren Durchmesser, wodurch als Folge des größeren Kontaktbereichs teilweise die Stärke der Pulveransammlung und teilweise die Belastungen im Kontaktbereich verringert werden. Am Übergang von der elastischen Verformung zur plastischen Verformung wird rasch ein tieferes und unregelmäßigeres Vertiefungsprofil erzeugt, das die Pulveransammlung unangemessen verankert und demzufolge eine weitere vorteilhafte Vergrößerung des Durchmessers der Ansammlung verhindert.
Tests haben gezeigt, daß bei einem Auslaßventil eine Pulveransammlung einer Stärke von etwa 0,14 mm zwischen zwei Sitzbereichen aus Legierungen mit einem niedrigeren Grenzwert für die Streckgrenze von 1000 MPa ohne plastische Verformung der Dichtflächen absorbiert werden kann. Ein großer Anteil der Partikel, die zwischen den Sitzflächen eingeklemmt sind, wird auf eine Stärke von etwa 0,15 mm zerdrückt. Das Auslaßventil gemäß der Erfindung verhindert, daß ein beachtlicher Anteil der Partikel Vertiefungen bildet, da die Sitzfläche nur in ihre ursprüngliche Form zurückfedert, wenn sich das Ventil öffnet und gleichzeitig die Überbleibsel der zerdrückten Partikel von den Sitzflächen weggeblasen werden.
Im Hinblick auf eine Zunahme der elastischen Eigenschaften des Sitzbereichs wird bevorzugt, daß die Sitzbereichlegierung eine Streckgrenze von mindestens 1100 MPa, vorzugsweise von mindestens 1200 MPa aufweist. Youngs Modul für die gegenwärtige Sitzlegierung ist bei zunehmenden Streckgrenzen im wesentlichen unverändert, wodurch eine annähernd lineare Wechselbeziehung zwischen der Streckgrenze und der größten elastischen Dehnung gegeben ist. Aus den oben genannten Anmerkungen ist ersichtlich, daß eine Sitzlegierung mit einer Streckgrenze von 2500 MPa oder mehr ideal wäre, da es die Pulveransammlungen der normalerweise am häufigsten auftretenden Ansammlungsstärken nur durch elastische Verformung absorbieren könnte. Jedoch sind zur Zeit geeignete Legierungen mit einer so hohen Streckgrenze nicht verfügbar. Aus der folgenden Beschreibung ist ersichtlich, daß einige der Sitzlegierungen, die heute erhältlich sind, in einer Weise hergestellt werden können, die die Streckgrenze auf mindestens 1100 MPa erhöht. Wenn sämtliche anderen Faktoren identisch bleiben, führt dieser Anstieg der Streckgrenze von 10% zu einer Verringerung der Tiefe der Vertiefungen von mindestens 10%. Bei den meisten Partikelarten ist der geeignete Grenzwert von 1200 MPa ausreichend hoch, um eine beachtliche Verringerung der Ansammlungsstärke bereitzustellen und kann demzufolge eine Verringerung der Vertiefungstiefen von bis zu 30% zur Folge haben, jedoch wird gleichzeitig die Anzahl möglicher Legierungen eingeschränkt. Dies trifft ebenfalls auf Sitzlegierungen mit einer Streckgrenze von mindestens 1300 MPa zu.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Sitzbereichlegierung eine Streckgrenze von mindestens 1400 MPa auf. Dies ist beinahe das Doppelte der Streckgrenze der Sitzlegierungen, die gegenwärtig verwendet werden, und beruhend auf dem gegenwärtigen Verständnis des Mechanismus der Vertiefungsbildung wird angenommen, daß eine Legierung mit einer so hohen Streckgrenze Probleme des Durchbrennens im Sitzbereich weitgehend beseitigt. Die Tiefe der wenigen Vertiefungen, die sich bei dieser Sitzlegierung bilden können, ist zu klein, als daß entweichendes Gas in ausreichend großen Mengen durch die Vertiefung strömen könnte, um die Sitzlegierung auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der Hitzekorrosion wirksam wird.
Bei einer Ausführungsform weisen die Sitzbereiche jeweils auf dem stationären Element und dem Ventilteller bei den Betriebstemperaturen der Sitzbereiche eine im wesentlichen identische Streckgrenze auf. Die weitgehend gleichförmigen Streckgrenzen der beiden Sitzlegierungen haben etwa dieselbe Art und Weise der Verformung beider Dichtflächen zur Folge, wenn die Pulveransammlung in die Oberflächen gedrückt wird, was die resultierende plastische Verformung jeder der Oberflächen verringert. Der stationäre Sitzbereich ist kälter als der Sitzbereich an der Spindel, was bedeutet, daß das Spindelsitzmaterial in Anbetracht der Tatsache, daß die Streckgrenze bei vielen Legierungen bei zunehmenden Temperaturen abfällt, bei etwa 20ºC die höhere Streckgrenze aufweisen sollte. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn der stationäre Sitzbereich aus einer hitzekorrosionsbeständigen Legierung gefertigt ist.
Wenn der stationäre Sitzbereich aus gehärtetem Stahl oder Gußeisen besteht, weist der Sitzbereich am stationären Element bei den Betriebstemperaturen der Sitzbereiche vorzugsweise eine wesentlich höhere Streckgrenze auf als der Sitzbereich am Ventilteller. Bei dieser Auslegung werden eventuelle Vertiefungen an der Ventilspindel gebildet. Dies stellt zwei Vorteile bereit. Erstens ist der Sitzbereich an der Spindel normalerweise aus einer hitzekorrosionsbeständigen Legierung gefertigt, so daß eine Entwicklung von Vertiefungen zu Durchbrennungen schwieriger ist, als wenn sich die Vertiefung auf dem stationären Element befände. Zweitens dreht sich die Spindel, so daß sich die Vertiefung bei jedem Schließen des Ventils an einer neuen Position auf der stationären Dichtfläche befindet, wobei der Hitzeeinfluß demgemäß auf dem stationären Sitzbereich verteilt wird.
Im folgenden werden verschiedene Legierungen beschrieben, die gemäß der Erfindung als Ventilsitzlegierungen verwendbar sind. Es wird angemerkt, daß NIMONIC und INCONEL gesetzlich geschützte Handelsmarken von INCO Alloys sind und daß Udimet eine gesetzlich geschützte Handelsmarke von Special Metals Inc. ist.
Die Sitzbereichlegierung kann eine chromhaltige Legierung auf der Basis von Nickel sein, die in Gewichtsprozent mindestens 10% lösungsverstärkende Komponenten, wie beispielsweise Mo, W, Co, Hf, Fe und/oder Cr, enthält, wobei die Legierung auf den Ventilteller aufgeschweißt und daraufhin die Streckgrenze der Legierung durch Kaltbearbeitung des Materials bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Rekristallisationstemperatur der Legierung oder dieser etwa entspricht, auf einen Wert erhöht wurde, der höher ist als der oben genannte untere Grenzwert. Als Beispiele für Legierungen dieser Art kann Folgendes genannt werden: IN 625 weist eine Streckgrenze nach dem Schweißen von etwa 450 MPa auf, jedoch beträgt die Streckgrenze nach mindestens 27% Kaltbearbeitung etwa 1000 MPa, und nach 40% Kaltbearbeitung beträgt sie etwa 1100 MPa. IN 671 weist eine Streckgrenze von etwa 490 MPa in einem geschweißten Zustand auf, und eine Kaltbearbeitung von 30 bis 40% kann die Streckgrenze auf über 1000 MPa erhöhen. Nach dem Schweißen weist IN 690 eine Streckgrenze von etwa 500 MPa auf, und nach einer Kaltbearbeitung von etwa 45% ist die Streckgrenze dieser Legierung auf etwa 1035 MPa erhöht. IN 718-artige Legierungen weisen ebenfalls eine Streckgrenze von etwa 500 MPa nach dem Schweißen auf, und nach einer Kaltbearbeitung von mindestens 35% ist die Streckgrenze auf etwas über 1000 MPa erhöht. Jedoch weisen nicht alle IN 718-artigen Legierungen einen starken Anstieg der Streckgrenze bei Kaltbearbeitung oder Wärmebehandlung auf, was unten ausführlicher beschrieben wird.
Bei den Legierungen, die Nb und/oder Ta enthalten, kann eine weitere Zunahme der Streckgrenze der Legierung nach der Kaltbearbeitung mittels einer ausscheidungshärtenden Wärmebehandlung erreicht werden. Dies trifft ebenfalls auf die Legierungen zu, die Al und Ti enthalten, jedoch erfordern sie normalerweise eine feine Einstellung dieser beiden Komponenten und weisen des weiteren den kleinen Nachteil auf, daß es nach dem Schweißen möglicherweise notwendig ist, ein Homogenisierungsglühen mit nachfolgender Wärmebehandlung durchzuführen, um die Kaltbearbeitung zu ermöglichen, wobei Al und Ti bereits beim Schweißen eine ausscheidungshärtende Wirkung aufweisen.
Alternativ kann die Sitzbereichlegierung eine chromhaltige Legierung auf der Basis von Nickel sein, die Nb und/oder Ta enthält, wobei die Legierung auf den Ventilteller aufgeschweißt ist, woraufhin ihre Streckgrenze mittels einer ausscheidungshärtenden Wärmebehandlung auf einen Wert erhöht ist, der größer als der untere Grenzwert ist. Ein Beispiel einer solchen Legierung, die in der Lage ist, ohne Kaltbearbeitung eine hohe Streckgrenze zu erreichen, ist Rene 220. Nach dem Schweißen weist diese Legierung eine geringe Streckgrenze auf, jedoch kann die Streckgrenze bei einer geeigneten Wärmebehandlung auf einfache Weise im Hinblick auf die Herstellung im wesentlichen auf über 1000 MPa erhöht werden. Die NIMONIC Legierung PK31 und IN 718- artige Legierungen können durch Wärmebehandlung ohne Kaltbearbeitung mit Streckgrenzen von wesentlich über 1000 MPa ausgestattet werden.
Eine weitere Alternative ebenfalls ohne Kaltbearbeitung besteht darin, daß die Sitzbereichlegierung eine chromhaltige Legierung auf der Basis von Nickel ist, die in Gewichtsprozent mindestens 10% lösungsverstärkende Komponenten, wie beispielsweise Mo, W, Co, Hf, Fe und/oder Cr, und ausscheidungshärtende Komponenten, wie beispielsweise Nb, Ta, Al und/oder Ti, enthält, und daß die Legierung auf den Ventilteller aufgeschweißt wird und daraufhin ihre Streckgrenze mit Hilfe einer ausscheidungshärtenden Wärmebehandlung auf einen Wert erhöht wird, der höher ist als der untere Grenzwert. Da diese Legierungen lösungsverstärkende Komponenten enthalten, weisen sie eine Neigung zur Erhöhung der Streckgrenze auf, wenn sie in der Praxis einer plastischen Verformung durch eine Pulveransammlung ausgesetzt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform ist die Sitzbereichlegierung eine chromhaltige Legierung auf der Basis von Nickel, die mindestens eine Komponente umfaßt, die aus Co, Mo, Hf, Fe, W, Ti, Nb, Ta, Al ausgewählt ist, und mindestens der Sitzbereich ist mittels eines isostatischen Heißpreßverfahrens hergestellt, eventuell mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung, um eine gesteuerte Ausscheidungshärtung bereitzustellen, typischerweise Homogenisierungsglühen, gefolgt von Abschrecken und Ausscheidungshärten. Unter besonders anwendbaren Legierungen kann IN 100 genannt werden, das eine Streckgrenze von etwa 1300 MPa bei etwa 20ºC nach dem isostatischen Heißpreßverfahren aufweist und des weiteren besonders dahingehend vorteilhaft ist, daß die Streckgrenze bei der Betriebstemperatur der Spindel auf einem sehr hohen Niveau aufrecht erhalten wird, wobei die Streckgrenze etwa 1285 MPa bei 650ºC beträgt. Nach dem isostatischen Heißpreßverfahren weist Merl 76 eine Streckgrenze von etwa 1200 MPa auf, und Udimet 700 weist eine entsprechend hohe Streckgrenze auf. Rene 95 ist ebenfalls geeignet und weist nach dem isostatischen Heißpreßverfahren eine Streckgrenze von etwa 1230 MPa auf, die bei 500ºC auf etwa 1160 MPa abfällt. Die Legierung NIMONIC 105 kann ebenfalls verwendet werden, eventuell mit einer kleinen Veränderung der Komponenten, die Carbonitridverbindungen und Oxidverbindungen bilden, die nach dem isostatischen Heißpreßverfahren kohärente Ketten von spröden Verbindungen, sogenannte PPBs (Prior Particle Boundaries - vorgelagerte Partikelgrenzen), bilden. In dem Ausmaß wie diese Legierungen lösungsverstärkende Komponenten enthalten, kann die Streckgrenze durch Kaltbearbeitung weiter erhöht werden. Das isostatische Heißpreßverfahren kann ebenfalls durch Schmieden und Extrusionsverfahren ergänzt werden. Als Alternative zum isostatischen Heißpreßverfahren können bei den oben genannten Sitzlegierungen ebenfalls andere Sinterverdichtungsverfahren verwendet werden.
Bei noch einer anderen Ausführungsform ist die Sitzbereichlegierung eine chromhaltige Legierung auf der Basis von Nickel, die mindestens eine Komponente enthält, die aus Co, Mo, W, Hf, Fe, Ti, Nb, Ta, Al ausgewählt ist, wobei der Sitzbereich entweder mittels Gießen oder mittels Anwendung von Sintertechnik hergestellt wird, gefolgt von thermomechanischem Schmieden, Walzen oder Schlagen bei einer Temperatur, die niedriger als die Rekristallisationstemperatur der Legierung ist oder dieser etwa entspricht, und mit einem Umformungsgrad des Sitzbereichs, der die Streckgrenze seiner Legierung auf einen Wert erhöht, der höher als der untere Grenzwert ist. Die Anwendung von Sintertechnik kann zum Beispiel das thermische Aufsprühen von partikulärem oder pulverigem Ausgangsmaterial auf einen Spindelgrundkörper sein, und das thermomechanische Schmieden kann eine Kaltbearbeitung des aufgesprühten Materials umfassen. Vorzugsweise findet die Kaltbearbeitung bei einer angemessen erhöhten Temperatur statt, um Ausscheidungshärten in einem Ausmaß, das, das Umformungsverfahren beeinträchtigt, zu vermeiden. Der Sitzbereich kann zum Beispiel aus einer IN 718-artigen Legierung hergestellt sein, die einem Umformungsgrad von mindestens 35% ausgesetzt wurde. Der Sitzbereich kann ebenfalls aus der Legierung INCONEL X-750 gefertigt sein, die bis zu einer Streckgrenze von etwa 1110 MPa warmbearbeitet und ausscheidungsgehärtet wurde. Wenn die Legierung ausscheidungshärtende Komponenten der oben genannten Art enthält, ist es des weiteren möglich, die Streckgrenze durch eine ausscheidungshärtende Wärmebehandlung weiter zu erhöhen.
Besonders vorteilhafte Legierungen für die Sitzbereichlegierung umfassen 10 - 25% Cr, höchstens 25% Co, höchstens 10% Mo+W, höchstens 11% Nb, höchstens 20% Ta, höchstens 3% Ti, höchstens 0,55% Al, höchstens 0,3% C, höchstens 1% Si, höchstens 0,015% P, höchstens 0,015% S, höchstens 3% Mn, höchstens 25% Fe und einen Rest Ni, und vorzugsweise sind die Komponenten Al, Ti und Ni auf bis zu 0,5% Al, 0,7 - 3% Ti und 52 - 57% Ni begrenzt, wobei der Nb + Ta/2-Gehalt angemessenerweise mindestens 3% beträgt.
Die Wahl der Legierung und des daraus folgenden Herstellungsverfahrens kann durch die Größe des Auslaßventils beeinflußt werden, da eine Kaltbearbeitung von vielen Prozent starke Werkzeuge erfordern kann, wenn der Ventilteller groß ist, beispielsweise bei einem äußeren Durchmesser im Bereich von 130 mm bis 500 mm.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung einer chromhaltigen Legierung auf der Basis von Nickel mit einer Streckgrenze von mindestens 1000 MPa bei etwa 20ºC als Legierung zur Beschränkung oder Verhinderung von Vertiefungen in einem ringförmigen Sitzbereich an der oberen Fläche eines beweglichen Ventiltellers an einem Auslaßventil für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktkreuzkopfmotor, wobei der Sitzbereich aus einer anderen Legierung als der Grundlegierung des Ventiltellers gefertigt ist, und wobei er an einem entsprechenden Sitzbereich an einem stationären Ventilelement anliegt, wenn das Ventil geschlossen ist. Die besonderen Vorteile der Verwendung einer solchen Legierung zur Beschränkung von Vertiefungen werden aus der oben gegebenen Beschreibung ersichtlich.
Im folgenden werden nun unter Bezugnahme auf die stark schematischen Zeichnungen Beispiele von Ausführungsformen der Erfindung ausführlicher beschrieben, wobei in den Zeichnungen
Fig. 1 ein Längsschnitt durch ein Auslaßventil gemäß der Erfindung ist,
Fig. 2 eine Teilansicht der beiden Sitzbereiche ist, in die eine typische Vertiefung eingezeichnet ist,
Fig. 3-6 Teilansichten der beiden Sitzbereiche sind, die das Zerdrücken der Partikel und die Anfangsstufen der Vertiefungsbildung zeigen,
Fig. 7 und 8 vergrößerte Teilansichten der Vertiefungsbildung sind, und
Fig. 9 eine entsprechende Ansicht der Oberflächen unmittelbar nach dem Wiederöffnen des Ventils ist.
Fig. 1 zeigt ein Auslaßventil, das allgemein mit 1 bezeichnet ist, für einen großen Zweitaktmotor, der Zylinderdurchmesser im Bereich von 250 bis 1000 mm aufweisen kann. Das stationäre Ventilelement 2 des Auslaßventils, auch unteres Stück genannt, ist in einem Zylinderkopf befestigt, der nicht gezeigt ist. Das Auslaßventil weist eine bewegliche Spindel 3 auf, die an ihrem unteren Ende einen Ventilteller 4 trägt und in bekannter Weise an ihrem oberen Ende mit einem hydraulischen Stellglied zum Öffnen des Ventils und einer pneumatischen Rückholfeder verbunden ist, um die Spindel in ihre geschlossene Position zurückzubringen. Fig. 1 zeigt das Ventil in einer teilweise geöffneten Position.
Die untere Fläche des Ventiltellers ist mit einer Schicht aus einem hitzekorrosionsbeständigen Material 5 versehen, Ein ringförmiger Sitzbereich 6 auf der oberen Fläche des Ventiltellers befindet sich in einem Abstand vom äußeren Rand des Tellers und weist eine konische Dichtfläche 7 auf. Der Ventilteller für den großen Zweitaktkreuzkopfmotor kann einen äußeren Durchmesser im Bereich von 120 bis 500 mm aufweisen, abhängig von der Zylinderbohrung.
Das stationäre Ventilelement ist ebenfalls mit einem etwas vorstehenden Sitzbereich 8 ausgestattet, der eine ringförmige, konische Dichtfläche 9 bildet, die in der geschlossenen Ventilposition an der Dichtfläche 7 anliegt. Der Sitzbereich ist so ausgelegt, daß, wenn der Ventilteller während des Erwärmens auf Betriebstemperatur seine Form ändert, die beiden Dichtflächen bei Betriebstemperatur des Ventils parallel sind, was bedeutet, daß bei einem kalten Ventilteller die Dichtfläche 7 an der Dichtfläche 9 nur am oberen Rand 10 der letzteren anliegt, wobei der obere Rand am weitesten entfernt von der Verbrennungskammer angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt eine typische Vertiefung 11, die etwa 0,5 mm vom Schließrand entfernt auf der Dichtfläche 7 endet, d. h., dem kreisförmigen Bogen, an dem der obere Rand 10 die Dichtfläche 7 berührt, wie durch die vertikale, gepunktete Linie angezeigt.
Fig. 3 zeigt eine harte Partikel 12, die unmittelbar bevor das Ventil vollständig schließt, zwischen den beiden Dichtflächen 7, 9 eingeklemmt wird. Bei der fortlaufenden Schließbewegung wird die Partikel zu Pulver zerdrückt, von dem ein beträchtlicher Anteil von dem Gas mitgerissen wird, das mit Schallgeschwindigkeit zwischen den Sitzen aufströmt, wie durch den Pfeil A in Fig. 4 gezeigt. Ein Teil des Pulvers von der zerdrückten Partikel wird zwischen den Dichtflächen 7, 9 eingeschlossen, da die Partikel, die sich am nächsten zu den Oberflächen befinden, durch Reibungskräfte zurückgehalten werden und die Partikel im Zwischenraum durch Scherkräfte im Pulver eingeschlossen werden. Demgemäß werden gegenüberliegende konische Pulveransammlungen gebildet, die Spitze an Spitze einander zugewandt sind. Die bisher vorherrschende Annahme, daß eine feste Partikel zwischen den Sitzflächen eingeklemmt wird, ist demgemäß nicht korrekt. Vielmehr tritt eine Verminderung der Materialmenge auf, die zwischen den Sitzen eingeklemmt ist, da ein Teil des Pulvers weggeblasen wird.
Bei fortlaufender Schließbewegung brechen die konischen Pulveransammlungen zusammen und werden in der Ebene der Oberflächen zu einem linsenförmigen Pulverkörper oder einer Pulveransammlung ausgebreitet, wie in Fig. 5 gezeigt. Es hat sich gezeigt, daß dieser linsenförmige Pulverkörper eine maximale Stärke von 0,5 mm und eine normale Stärke der größten Anhäufungen zwischen 0,3 und 0,4 mm aufweist.
Fig. 6 zeigt die Situation, in der das Ventil geschlossen ist, jedoch bevor der Druck in der Verbrennungskammer als Folge der Verbrennung des Kraftstoffs ansteigt. Die pneumatische Rückholfeder ist von sich aus nicht stark genug, um die Dichtfläche 7 vollständig gegen die Dichtfläche 9 im Bereich um den Pulverkörper herum abzudichten.
Wenn der Druck in der Verbrennungskammer nach der Zündung des Kraftstoffs ansteigt, nimmt die auf die untere Tellerfläche aufwärts gerichtete Kraft stark zu, und die Dichtflächen werden dichter gegeneinander gedrückt, und gleichzeitig beginnt der Pulverkörper, die Dichtflächen elastisch zu verformen. Wenn der Pulverkörper ausreichend dick ist und die Streckgrenze des Materials nicht genügend groß ist, wird die elastische Verformung zu einer plastischen Verformung, die die Vertiefung dauerhaft macht. Fig. 7 zeigt eine Situation, in der der stationäre Sitzbereich 8 die höchste Streckgrenze aufweist und in der der Sitzbereich 6 auf dem Teller gerade bis unterhalb seiner Streckgrenze elastisch verformt wird. Bei fortlaufender Kompression zur vollständig komprimierten Position der Dichtflächen, die in Fig. 8 gezeigt ist, sinkt der Pulverkörper in die Dichtfläche ein, wobei das Sitzmaterial plastisch verformt wird.
Wenn sich das Ventil wieder öffnet, werden die Partikel durch das ausströmende Gas weggeblasen, wie in Fig. 9 gezeigt, und gleichzeitig federn die Sitzmaterialien in ihren unbelasteten Zustand zurück. In dem Ausmaß wie eine plastische Verformung einer oder beider Sitzflächen aufgetreten ist, ist eine dauerhafte Vertiefung 11 mit einer geringeren Tiefe als die größte Vertiefung, die durch den Pulverkörper erzeugt wurde, in der Dichtfläche vorhanden. Je größer die Streckgrenze des Sitzmaterials, desto kleiner die Vertiefung.
Im folgenden werden Analysebeispiele geeigneter Sitzmaterialien beschrieben. Sämtliche Mengen sind in Gewichtsprozent angegeben, und unvermeidliche Verunreinigungen sind vernachlässigt. Ebenfalls muß erwähnt werden, daß sich Angaben von Streckgrenzen in der vorliegenden Beschreibung auf Streckgrenzen bei einer Temperatur von etwa 20ºC beziehen, soweit keine andere Temperatur angegeben ist. Die Legierungen sind chromhaltige Legierungen auf der Basis von Nickel (oder nickelhaltige Legierungen auf der Basis von Chrom), und sie weisen die Eigenschaft auf, daß keine eigentliche Wechselbeziehung zwischen der Härte der Legierung und ihrer Streckgrenze besteht, sondern im Gegenteil wahrscheinlich eine Wechselbeziehung zwischen der Härte und der Dehnfestigkeit. Im Zusammenhang mit diesen Legierungen ist mit Streckgrenze die Festigkeit gemeint, die durch eine Beanspruchung von 0,2 (Rp0,2) erzeugt wird.
Die Legierung IN 625 umfaßt 20-23% Cr, 8 - 10% Mo, 3,15 - 4,15% Ta+Nb, bis zu 5% Fe, bis zu 0,1% C, bis zu 0,5% Mn, bis zu 0,5% Si, bis zu 0,4% Al, bis zu 0,4% Ti, bis zu 1,0% Co, bis zu 0,015% S, bis zu 0,015% P und einen Rest von mindestens 58% Ni. Die Streckgrenze der Legierung kann mit Hilfe von plastischer Umformung und bis zu einem gewissen Ausmaß durch Ausscheidungshärten erhöht werden.
Die Legierung IN 671 umfaßt 0,04 - 0,08% C, 46 - 49% Cr, 0,3 - 0,5% Ti und einen Rest Ni. Die Streckgrenze der Legierung kann mittels plastischer Umformung und Ausscheidungshärten erhöht werden.
Die Legierung IN 690 umfaßt 27 - 30% Cr, 7 - 11% Fe, bis zu 0,05% C, wahlweise geringe Mengen Mg, Co, Si und einen Rest von mindestens 58% Ni. Die Streckgrenze der Legierung kann mittels plastischer Umformung erhöht werden.
Die IN 718-artige Legierung umfaßt 10 - 25% Cr, bis zu 5% Co, bis zu 10% Mo+W, 3 - 12% Nb+Ta, bis zu 3% Ti, bis zu 2% Al, bis zu 0,3% C, bis zu 1% Si, bis zu 0,015% P, bis zu 0,015% S, bis zu 3% Mn, 5 - 25% Fe und einen Rest Ni. Die Besonderheit der Legierung besteht darin, daß die Möglichkeiten zur Erhöhung der Streckgrenze sehr stark von den Mengen der einzelnen Komponenten abhängen, insbesondere Al, Ti, Ni und Nb, wobei der Al-Gehalt einen besonderen Einfluß ausübt. Wenn der Al-Gehalt höher als 0,55% ist, wird die Streckgrenze negativ beeinflußt. Der Al-Gehalt sollte unterhalb von 0,5% gehalten werden. Wenn erwünscht ist, die Streckgrenze mittels Ausscheidungshärten zu erhöhen, sollte der Nb+Ta-Gehalt höher als 4% sein, vorzugsweise höher als 7%, und der Ti-Gehalt sollte höher als 0,7% sein, vorzugsweise im Bereich von 0,95% bis 2%. Gleichzeitig kann der Ni-Gehalt vorteilhafterweise im Bereich zwischen 47% und 60% liegen, vorzugsweise zwischen 52% und 57%. Wenn gewünscht wird, die Streckgrenze durch plastische Umformung zu erhöhen, sollten der Co-Gehalt und der Mo+W- Gehalt so gewählt werden, daß sie sich in der oberen Hälfte der oben genannten Bereiche bewegen. Wenn die Komponenten so gewählt werden, daß sie sich innerhalb der oben genannten bevorzugten Bereiche bewegen und die Legierung sowohl um beispielsweise mehr als 50% plastisch verformt wird als auch ausscheidungsgehärtet wird, kann die Streckgrenze auf mehr als 1600 MPa erhöht werden.
Die Legierung NIMONIC 105 weist eine nominelle Zusammensetzung von 15% Cr, 20% Co, 5% Mo, 4,7% Al, bis zu 1% Fe, 1,2% Ti und einen Rest Ni auf.
Die Legierung Rene 220 umfaßt 10 - 25% Cr, 5 - 25% Co, bis zu 10% Mo+W, bis zu 11% Nb, bis zu 4% Ti, bis zu 3% Al, bis zu 0,3% C, 2 - 23% Ta, bis zu 1% Si, bis zu 0,015% S, bis zu 5% Fe, bis zu 3% Mn und einen Rest Ni. Nominell enthält Rene 220 0,02% C, 18% Cr, 3% Mo, 5% Nb, 1% Ti, 0,5% Al, 3% Ta und einen Rest Nickel. Eine Umformung in Kombination mit Ausscheidungshärten kann bei diesem Material eine äußerst hohe Streckgrenze erreichen. Bei einem Umformungsgrad von 50% bei 955ºG beträgt die Streckgrenze etwa 1320 MPa; bei einem Umformungsgrad von 50% bei 970ºC beträgt die Streckgrenze etwa 1400 MPa; bei einem Umformungsgrad von 50% bei 990ºC beträgt die Streckgrenze etwa 1465 MPa, und bei einem Umformungsgrad von 25% bei 970ºC beträgt die Streckgrenze etwa 1430 MPa. Das Ausscheidungshärten ist 8 Stunden lang bei 760ºC angewendet worden, gefolgt von 24 Stunden bei 730ºC und 24 Stunden bei 690ºC.
Die Legierung NIMONIC PK31 umfaßt nominell 0,04% C, 20% Cr, 2,3% Ti, 0,45% Al, 14% Co, 4,5% Mo, 5% Nb, bis zu 1% Fe und möglicherweise geringe Mengen Si, Cu und M, und einen Rest Ni.
Die Legierung Merl 76 weist die nominelle Zusammensetzung von 0,015% C, 11,9% Cr, 18% Co, 2,8% Mo, 1,2% Nb, 0,3 % Hf, 4,9% Ti, 4,2% Al, 0,016% B, 0,04% Zr und einen Rest Ni auf.
Die Legierung Udimet 700 weist die nominelle Zusammensetzung von 0,15% C, 15% Cr, 18,5% Co, 5,3% Mo, 4,2% Ti, 3,5% Al, bis zu 1% Fe und einen Rest Ni auf.
Die Legierung Rene 95 umfaßt bis zu 0,08% C, 11,8-14,6% Cr, 7,5 - 8,5% Co, 3,1-3,9% Mo, 3,1 - 3,9% W, 3,1 - 3,9% Nb, 3,1 - 3,9% Ti, 2,1 - 3,1% Al, bis zu 0,02% B, bis zu 0,075% Zr und einen Rest Ni.
Die oben genannte nominelle Analyse betreffend, ist es offensichtlich, daß in der Praxis, abhängig von der tatsächlich hergestellten Legierung, natürlicherweise Abweichungen von der nominellen Analyse auftreten können, wie ebenso unvermeidliche Verunreinigungen bei sämtlichen Analysen auftreten können.
Die technische Literatur beschreibt ausführlich, wie die verschiedenen Legierungen wärmebehandelt werden müssen, um ein Ausscheidungshärten zu erzeugen, und die Wärmebehandlung für das Homogenisierungsglühen und die Rekristallisationstemperaturen der Legierungen sind ebenfalls bekannt. Daher werden im folgenden nur einige wenige Beispiele beschrieben.
Rene 220:
Vier Schichten eines Schweißpulvers der folgenden Zusammensetzung: 0,03% C, 20,2% Cr, 2,95% Mo, 11,7% Co, 1,2% Ti, 5,05% Nb, 3,1% Ta und ein Rest Ni wurden mittels PTAW auf einen Grundkörper aus austenitischem rostfreiem Stahl AISI 316 geschweißt. Der mit der Legierung gemäß der Erfindung so beschichtete Körper wurde nachfolgend 4 Stunden lang bei 775ºC und 4 Stunden lang bei 700ºC wärmebehandelt. Aus dem Grundkörper wurden zwei gewöhnliche Rohlinge für den Zugversuch hergestellt, und der Zugversuch zeigte jeweils eine Streckgrenze Rp0,2 von 1138 MPa und 1163 MPa. Daraufhin wurde ein Grundkörper, der in derselben Weise hergestellt wurde, 4 Stunden lang bei 750ºC wärmebehandelt, gefolgt von 8 Stunden bei 700ºC. Bei dem Zugversuch wurden für zwei Rohlinge Streckgrenzen von jeweils 1074 MPa und 1105 MPa gemessen. Daraufhin wurde ein Grundkörper, der in derselben Weise hergestellt wurde, 8 Stunden lang bei 750ºC wärmebehandelt, gefolgt von 4 Stunden bei 700ºC. Beim Zugversuch wurden für zwei Rohlinge Streckgrenzen von jeweils 1206 MPa und 1167 MPa ermittelt. Schließlich wurde ein Grundkörper, der in derselben Weise hergestellt wurde, 4 Stunden lang bei 800ºC wärmebehandelt, gefolgt von 8 Stunden bei 700ºC. Beim Zugversuch wurden für zwei Rohlinge Streckgrenzen von jeweils 1091 MPa und 1112 MPa gemessen.
In den Fällen, in denen gewünscht wird, die Streckgrenze mittels Kaltbearbeitung des Materials zu erhöhen, kann dies in bekannter Weise beispielsweise durch Walzen oder Schmieden des Sitzbereichs oder in anderer Weise, wie beispielsweise Schlagen oder Hämmern desselben, ausgeführt werden, woraufhin die Dichtfläche des Sitzes eingeschliffen wird. Falls die Legierung ausscheidungshärtende Komponenten enthält, kann die Kaltbearbeitung in geeigneter Weise bei einer angemessen erhöhten Temperatur ausgeführt werden, wie oben erwähnt.
Im folgenden wird ein Beispiel der Herstellung eines Auslaßventils gegeben, bei dem der Sitzbereich mit Hilfe eines isostatischen Heißpreßverfahrens gebildet ist. Ein Grundkörper aus einer geeigneten Legierung, wie beispielsweise Stahl, legierter Stahl oder eine Nickellegierung, wird in gewöhnlicher Weise ohne den Sitzbereich in die gewünschte Form gefertigt. Daraufhin wird die gewünschte Sitzlegierung durch ein bekanntes isostatisches Heißpreßverfahren (HIP, wobei dies eine Abkürzung für Hot Isostatic Pressure ist) auf den Grundkörper aufgetragen. Dieses Verfahren verwendet partikuläres Ausgangsmaterial, das zum Beispiel durch Zerstäuben eines Flüssigkeitsstrahls einer geschmolzenen nickel- und chromhaltigen Legierung in eine Kammer mit einer inaktiven Atmosphäre hergestellt ist, wobei das tropfenförmige Material abgeschreckt wird und sich als Partikel mit einer sehr dichten dendritischen Struktur verfestigt.
Das partikuläre Ausgangsmaterial wird oben auf dem Grundkörper auf der oberen Fläche des Ventiltellers in einer Menge angebracht, die auf die gewünschte Stärke des Sitzbereichs eingestellt ist. Daraufhin wird der Körper in einer Form angeordnet und in eine isostatische Heißpreßkammer gebracht, die geschlossen wird, und es wird ein Vakuum angewendet, um unerwünschte Gase zu entziehen. Daraufhin wird das isostatische Heißpreßverfahren eingeleitet, bei dem das partikuläre Material auf eine Temperatur im Bereich zwischen 950 und 1200ºC erwärmt wird, und es wird ein Hochdruck von beispielsweise 900-1200 bar angewendet. Unter diesen Bedingungen wird das Ausgangspulver plastisch und wird im wesentlichen ohne Schmelzen zu einem Material kohärenter Dichte vereinheitlicht. Daraufhin wird der Körper entnommen und falls gewünscht, kann er daraufhin einem Homogenisierungsglühen ausgesetzt werden, bei Rene 95 zum Beispiel 1 Stunde lang bei einer Temperatur von 1150ºC, gefolgt von Abschrecken entweder in einem Salzbad auf eine mittlere Temperatur (typischerweise 535ºC), gefolgt von Luftabkühlung auf Raumtemperatur oder von Abschrecken in Gasen auf Raumtemperatur. Nach diesen Schritten kann daraufhin eine Warm/Kaltbearbeitung ausgeführt werden, und wenn es die Zusammensetzung der Legierung erlaubt, kann ebenfalls ein Ausscheidungshärten durchgeführt werden, bei Rene 95 zum Beispiel 1 Stunde lang bei 870ºC, gefolgt von 24 Stunden bei 650ºC, woraufhin der Körper durch Luftkühlung auf Raumtemperatur gebracht wird. Schließlich kann der Körper auf die gewünschten Maße eingeschliffen werden.
Als Grundkörper kann ein Ventilteller ohne Schaft verwendet werden, wobei der Schaft daraufhin nach Beendigung des isostatischen Heißpreßverfahrens auf dem Ventilteller befestigt wird. Diese Befestigung kann beispielsweise mittels Reibschweißen stattfinden. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, daß die isostatische Heißpreßkammer besser ausgenutzt wird, da die Kammer mehrere Grundkörper gleichzeitig enthalten kann, wenn der Schaft im nachhinein befestigt wird. Es ist ebenfalls möglich, den gesamten Ventilteller oder, falls gewünscht, die gesamte Ventilspindel mittels des isostatischen Heißpreßverfahrens aus partikulärem Material herzustellen, wobei in verschiedenen Bereichen des Körpers verschiedene Partikel-Zusammensetzungen verwendet werden, angepaßt an die gewünschten Eigenschaften des Materials in den betreffenden Bereichen und auf der Grundlage von wirtschaftlichen Erwägungen.
Kaltbearbeitung im vorliegenden Kontext bedeutet entweder eine herkömmliche Kaltbearbeitung bei einer Temperatur wesentlich unterhalb der Rekristallisationstemperatur der Legierung oder eine thermomechanische Umformung bei einer Temperatur unterhalb des unteren Temperaturbereichs oder etwa im unteren Temperaturbereich der Rekristallisation. Im letzteren Fall ist es vorteilhaft, den Körper von einem Homogenisierungsglühen auf die Bearbeitungstemperatur abzukühlen, ohne ihn zuerst auf Raumtemperatur abgekühlt zu haben.

Claims

1. Auslaßventil für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktkreuzkopfmotor, das eine bewegliche Spindel mit einem Ventilteller umfaßt, der an seiner oberen Fläche einen ringförmigen Sitzbereich aus einer Legierung aufweist, die von der Grundlegierung des Ventiltellers verschieden ist, wobei dieser Sitzbereich in der geschlossenen Ventilposition an einem entsprechenden Sitzbereich an einem stationären Ventilelement anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitzbereich an der oberen Fläche des Ventiltellers aus einer Legierung mit einer Streckgrenze (Rp0,2) von mindestens 1000 MPa bei einer Temperatur von etwa 20ºC gefertigt ist.

2. Auslaßventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzbereichlegierung eine Streckgrenze von mindestens 1100 MPa, vorzugsweise von mindestens 1200 MPa aufweist.

3. Auslaßventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzbereichlegierung eine Streckgrenze von mindestens 1300 MPa, vorzugsweise von mindestens 1400 MPa aufweist.

4. Auslaßventil nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzbereiche jeweils auf dem stationären Element und dem Ventilteller im wesentlichen dieselbe Streckgrenze bei den Betriebstemperaturen der Sitzbereiche aufweisen.

5. Auslaßventil nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitzbereich auf dem stationären Element bei den Betriebstemperaturen der Sitzbereiche eine wesentlich höhere Streckgrenze als der Sitzbereich auf dem Ventilteller aufweist.

6. Auslaßventil nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzbereichlegierung eine chromhaltige Legierung auf der Basis von Nickel ist, die in Gewichtsprozent mindestens 10% lösungsverstärkende Komponenten, wie beispielsweise Mo, W, Co, Hf, Fe und/oder Cr umfaßt, und daß die Legierung auf den Ventilteller aufgeschweißt ist und daraufhin die Streckgrenze der Legierung durch Kaltbearbeitung des Materials bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Rekristallisationstemperatur der Legierung oder dieser etwa entspricht, auf einen Wert erhöht wurde, der höher ist als der untere Grenzwert.

7. Auslaßventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Nb und/oder Ta enthält und daß die Streckgrenze der Legierung nach der Kaltbearbeitung mit Hilfe einer ausscheidungshärtenden Wärmebehandlung weiter erhöht worden ist.

8. Auslaßventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Al und Ti enthält und daß nach dem Schweißen, jedoch vor der Kaltbearbeitung die Legierung einem Homogenisierungsglühen unterzogen und daraufhin abgeschreckt wurde.

9. Auslaßventil nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzbereichlegierung eine chromhaltige Legierung auf der Basis von Nickel ist, die Nb und/oder Ta enthält, daß die Legierung auf den Ventilteller aufgeschweißt wurde und daß die Streckgrenze der Legierung nach dem Schweißen mit Hilfe einer ausscheidungshärtenden Wärmebehandlung auf einen Wert erhöht wurde, der größer ist als der untere Grenzwert.

10. Auslaßventil nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzbereichlegierung eine chromhaltige Legierung auf der Basis von Nickel ist, die in Gewichtsprozent mindestens 10% lösungsverstärkende Komponenten, wie beispielsweise Mo, W, Co, Hf, Fe und/oder Cr, und ausscheidungshärtende Komponenten, wie beispielsweise Nb, Ta, Al und/oder Ti, enthält und daß die Legierung auf den Ventilteller aufgeschweißt ist und daraufhin ihre Streckgrenze mittels einer ausscheidungshärtenden Wärmebehandlung auf einen Wert erhöht wurde, der höher ist als der untere Grenzwert.

11. Auslaßventil nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzbereichlegierung eine chromhaltige Legierung auf der Basis von Nickel ist, die mindestens eine Komponente umfaßt, die aus Co, Mo, Hf, Fe, W, Ti, Nb, Ta, Al ausgewählt ist, und daß mindestens der Sitzbereich mittels eines isostatischen Heißpreßverfahrens hergestellt ist.

12. Auslaßventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckgrenze der Legierung durch Kaltbearbeitung des Materials nach dem isostatischen Heißpreßverfahren weiter erhöht wurde.

13. Auslaßventil nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzbereichlegierung eine chromhaltige Legierung auf der Basis von Nickel ist, die mindestens eine Komponente enthält, die aus Co, Mo, W, Hf, Fe, Ti, Nb, Ta, Al ausgewählt ist, und daß mindestens der Sitzbereich entweder mittels Gießen oder mittels Anwendung von Sintertechnik hergestellt ist, gefolgt von thermomechanischer Umformung bei einer Temperatur, die niedriger als die Rekristallisationstemperatur der Legierung ist oder dieser etwa entspricht, und mit einem Umformungsgrad des Sitzbereichs, der die Streckgrenze seines Materials auf einen Wert erhöht, der höher als der untere Grenzwert ist.

14. Auslaßventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die thermomechanische Umformung eine Kaltbearbeitung der Legierung umfaßt.

15. Auslaßventil nach einem der Ansprüche 11 - 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Streckgrenze der Legierung durch eine ausscheidungshärtende Wärmebehandlung erhöht wurde.

16. Auslaßventil nach einem der Ansprüche 8, 10, 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzbereichlegierung 10 - 25% Cr, höchstens 25% Co, höchstens 10% Mo+W, höchstens 11% Nb, höchstens 20% Ta, höchstens 3% Ti, höchstens 0,55% Al, höchstens 0,3% C, höchstens 1% Si, höchstens 0,015% P, höchstens 0,015% S, höchstens 3% Mn, höchstens 25% Fe und einen Rest Ni enthält, und vorzugsweise sind die Komponenten Al, Ti und Ni auf höchstens 0,5% Al, 0,7 - 3% Ti und 52 - 57% Ni begrenzt, wobei der Nb + Ta/2-Gehalt angemessenerweise mindestens 3% beträgt.

17. Auslaßventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Ventiltellers im Bereich von 130 mm bis 500 mm liegt.

18. Verwendung einer chromhaltigen Legierung auf der Basis von Nickel mit einer Streckgrenze von mindestens 1000 MPa bei einer Temperatur von etwa 20ºC als Material zur Beschränkung oder Verhinderung von Vertiefungen in einem ringförmigen Sitzbereich an der oberen Fläche eines beweglichen Ventiltellers an einem Auslaßventil für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen Zweitaktkreuzkopfmotor, wobei der Sitzbereich aus einer anderen Legierung als der Grundlegierung des Ventiltellers gefertigt ist, und wobei er an einem entsprechenden Sitzbereich an einem stationären Ventilelement anliegt, wenn das Ventil geschlossen ist.