DE69817412T2

DE69817412T2 - Verfahren zur Herstellung eines Dieselbrennkraftmaschinenventils

Info

Publication number: DE69817412T2
Application number: DE69817412T
Authority: DE
Inventors: Tomotaka Tokai-city Nagashima; Michio Chita-city Okabe; Toshiharu Tajimi-city Noda; Kiyoshi Okawachi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd; Nittan Valve Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd; Nittan Corp
Priority date: 1997-02-07
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: US6139660A; JPH10219377A; US6039919A; DE69817412D1; EP0857793A1; EP0857793B1; ATE248238T1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Legierung für ein Dieselmotorventil, die eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit aufweist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bis jetzt wurden hitzebeständige Stähle wie beispielsweise JIS SUH 35 (Fe-9Mn-21Cr-4Ni-0,5C-0,4N) oder dergleichen als Material für Einlassventile und Auslassventile von Dieselmotoren verwendet, jedoch wurde in den letzten Jahren damit begonnen, Nimonic 80A (hierin später in Tabelle 1 als konventionelle Legierung Nr. 7 beschrieben) zu verwenden, das eine Nickel-basierte superhitzebeständige Legierung ist, 20% Cr enthält und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist, unter Berücksichtigung der Erhöhung der durch die Dieselmotoren erzeugten Energie bzw. Kraft und des Temperaturanstiegs des Verbrennungsgases.
Jedoch weist das vorher erwähnte Nimonic 80A eine ausreichend exzellente Festigkeit auf, obwohl dahingehend ein Problem besteht, dass es keine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweist, insbesondere eine Beständigkeit gegen den Angriff von Schwefel, der durch auf der Oberfläche der Ventile entsprechend Schwefel, der im Treibstoff enthalten ist, gebildete Sulfide, verursacht ist.
Im Vergleich mit dem obigen weist Udimet 520 (später in Tabelle 1 als konventionelle Legierung Nr. 8 beschrieben), das zusätzlich zu 20% Cr 12% Co enthält, obwohl es eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit aufweist, ein Kostenproblem auf, das auf den Zusatz von teurem Co in großen Mengen zurückzuführen ist.
Darüber hinaus weist Nimonic 81 (später in Tabelle 1 als konventionelle Legierung Nr. 9 beschrieben), dessen Cr-Gehalt um 30% erhöht ist, wegen des Zusatzes von Cr in einer großen Menge eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit auf, es existiert jedoch dahingehend ein anderes Problem, als es keine ausreichende Festigkeit als Einlass- und Auslassventile für Dieselmotoren aufweist.
EP-A-421 705 offenbart ein Auslassventil für einen Schiffsdiesel. Die Nickel-basierte Legierung kann bearbeitet bzw. gehämmert werden, einer Lösungsbehandlung über 1000°C unterworfen und bei 625–725°C für 2–48 Stunden gealtert bzw. abgelagert werden. Die Legierungszusammensetzung umfasst Nb als unverzichtbares Element.
GB-B-959 509 offenbart eine Ni-Cr Legierung mit einer verbesserten Beständigkeit gegenüber Bruchspannung und Korrosion zur Verwendung in Flugzeuggasturbinen. Die bearbeiteten Gegenstände werden einer Lösungs-Hitze-Behandlung von 1050–1200°C für 1– 8 Stunden gefolgt von einem Altern bei 600–800°C für 1–24 Stunden unterworfen.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Verfahren zur Herstellung eines Dieselmaschinen- bzw. Dieselmotorventils gemäß dieser Erfindung wurde entwickelt, um die vorher erwähnten Probleme des Stands der Technik zu lösen.
Das Verfahren zur Herstellung von Ventilen für ein Dieselmotorventil gemäß eines anderen Aspektes dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst, ein Ausgangsmaterial aus einer hochkorrosionsbeständigen Legierung zu einer Ventilform für den Dieselmotor zu schmieden, wobei die Legierung in Gewichtsprozent aus nicht mehr als 0,1% C, nicht mehr als 1,0% Si, nicht mehr als 1,0% Mn, mehr als 25% und nicht mehr als 32% Cr, mehr als 2,0% und nicht mehr als 3,0% Ti, 1,0 bis 2,0% Al, nicht mehr als 3,0% Fe, nicht mehr als 2,0% Co, wahlweise einem oder beiden von nicht mehr als 0,02% B und nicht mehr als 0,15% Zr, besteht, und der Restbestandteil Ni und gelegentliche Verunreinigungen sind, das erzielte ventilförmige Schmiedestück einer Alterungsbehandlung nach oder ohne Festlösungsbehandlung zu unterziehen und die Härte des Ventils durch Unterziehen des alterungsbehandelten Schmiedestücks einer teilweisen Kaltverarbeitung teilweise zu erhöhen. Die Festlösungsbehandlung kann in dem Fall vermieden werden, in dem die Festigkeit in einem Teil erhöht wird, der den kaltverarbeiteten Anteil ausnimmt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die einzige Figur ist eine schematische Darstellung, die eine Form und einen teilweise kaltverarbeiteten Anteil eines Dieselmotorventils darstellt, das in einem Beispiel dieser Erfindung hergestellt wurde.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In der hochkorrosionsbeständigen Legierung für das Verfahren zur Herstellung eines Dieselmotor-Ventils gemäß dieser Erfindung wird Cr zu mehr als 25% und nicht mehr als 32 % in einer großen Menge in einer Nickel-basierten Legierung in ähnlicher Weise wie in Nimonic 81 zugesetzt, zur selben Zeit sind Ti und Al reichlich enthalten (2% < Ti ≤ 3,0%, 1,0% < Al ≤ 2,0%) und der Rest dieser Elemente wird gegenüber den anderen Elementen wie beispielsweise C, Si, Mn und so weiter optimiert. Die Nickel-basierte Legierung gemäß des Verfahrens dieser Erfindung weist eine zufriedenstellende Korrosionsbeständigkeit auf Grund des Zusatzes von Cr auf und weist eine große Festigkeit auf Grund der Zunahme von Ti und Al auf, so dass es möglich ist, dass sie in geeigneter Weise als Einlassventil und Auslassventil eines Dieselmotors verwendet wird. Die hochkorrosionsbeständige Legierung gemäß des Verfahrens dieser Erfindung ist die Legierung, bei der die Korrosionsbeständigkeit ohne positiven Zusatz von teurem Co verbessert wird, und es ist möglich, die Kosten der Legierung zu reduzieren.
Bei der Legierung gemäß des Verfahrens dieser Erfindung kann der Eisen-Gehalt und Co-Gehalt auf nicht mehr als 3,0% Fe und nicht mehr als 2,0% Co jeweils kontrolliert bzw. eingestellt werden.
Der Fe-Gehalt bedeutet die Menge, die als Verunreinigungen enthalten ist, wobei es möglich ist, die große Menge an Ni durch Kontrollieren von Fe sicherzustellen, so dass es einen bestimmten Wert nicht überschreitet.
Weiterhin wird es durch Kontrollieren von Co auf nicht mehr als 2,0%, in anderen Worten indem erlaubt wird, dass die Menge an Co bis zu 2,0% beträgt, nicht mehr notwendig, Ausgangsmaterialien streng auszuwählen, um eine Beimischung von Co zu hemmen und es ist möglich, eine Zunahme der Kosten, die durch die Erhöhung der Standards für die Auswahl von Materialien verursacht werden, zu kontrollieren.
In der hochkorrosionsbeständigen Legierung gemäß des Verfahrens dieser Erfindung kann eines oder beides von B und Zr als korngrenzenverstärkende Elemente im vorherbestimmten Bereich enthalten sein. Es ist möglich, die Dauerdehngrenze bzw. Zeitstandfestigkeit der Legierung wirksam durch Zusatz dieser Elemente zu verbessern.
Beim Verfahren zur Herstellung des Dieselmotorventils gemäß dieser Erfindung wird die Materiallegierung, die die vorher erwähnten chemischen Zusammensetzungen aufweist, zu einer Ventilform geschmiedet, und eine Alterungsbehandlung wird nach Festlösungs-Behandlung oder direkt, ohne Festlösungs-Behandlung, durchgeführt. Anschließend wird eine teilweise Kaltverarbeitung durchgeführt, beispielsweise bezüglich der Ventiloberfläche oder ähnlichem, wodurch die Härte des Ventils teilweise gesteigert wird. Gemäß dieses Verfahrens ist es möglich, das Ventil effektiv nur an dem Teil zu verstärken, das einer besonderen Festigkeit bedarf. Überdies kann die Festlösungs-Behandlung gemäß der erforderten Eigenschaften wie oben erwähnt weggelassen werden.
Der Grund, warum die chemischen Zusammensetzungen der Legierung gemäß des Verfahrens dieser Erfindung beschränkt sind, wird unten ausführlich beschrieben werden.
C: nicht mehr als 0,1%
C verbindet sich mit Ti oder Cr zur Bildung von Karbiden, verbessert die Hoch-Temperatur-Festigkeit der Legierung, jedoch wird die Duktilität der Legierung gesenkt, wenn C in der Legierung zu mehr als 0,1% enthalten ist, und deswegen ist die obere Grenze von C als 0,1% definiert.
Si: nicht mehr als 1,0%
Si trägt zur Steigerung der Härte der Legierung bei, jedoch wird die Duktilität der Legierung gesenkt, wenn Si in der Legierung zu mehr als 1,0% enthalten ist, und demgemäß ist die obere Grenze von Si als 1,0% definiert.
Mn: nicht mehr als 1,0%
Mn weist die Funktion auf, einer durch S verursachten Versprödung vorzubeugen, jedoch wird die Präzipitation der η- Phase (Ni₃Ti) gefördert und ist der Duktilität der Legierung abträglich, wenn Mn in der Legierung zu mehr als 1,0% enthalten ist, und demgemäß ist die obere Grenze von Mn als 1,0% definiert.
Cr: mehr als 25% und nicht mehr als 32%
Cr ist ein unverzichtbares Element zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit der Legierung. Es ist notwendig, dass Cr zu mehr als 25% enthalten ist, um eine Wirkung dieser Art zu erzielen, wenn jedoch Cr übermässig zu mehr als 32% in der Legierung enthalten ist werden spröde beziehungsweise brüchige Phasen während der Verwendung der Legierung als Ventile für den Dieselmotor ausgefällt, so dass die Obergrenze von Cr als 32% definiert ist.
Ti: mehr als 2,0% und nicht mehr als 3,0%
Al: 1,0–2,0%
Ti und Al verbinden sich mit Ni zur Bildung einer γ-Primärphase und weisen die Funktion auf, die Hoch-Temperaturfestigkeit der Legierung zu verbessern. Es ist notwendig, dass Ti zu mehr als 2,0% in der Legierung enthalten ist, um diese Wirkung zu erzielen. Überdies ist es notwendig, dass Al zu nicht weniger als 1,0% enthalten ist.
Wenn jedoch Ti und Al zu mehr als 3,0% beziehungsweise 2,0% in der Legierung enthalten sind, wird eine Versprödung der Legierung durch übermässige Präzipitation während der Alterungsbehandlung verursacht und die Heiß-Bearbeitbarkeit der Legierung wird herabgesetzt, und deswegen sind die unteren Grenzen von Ti und Al als 3,0% beziehungsweise 2,0% definiert, um diese abträglichen Einflüsse zu vermeiden.
Fe: nicht mehr als 3,0%
Eisen ist als Verunreinigung in der Legierung gemäß dieser Erfindung enthalten, und es ist möglich sicherzustellen, dass Ni in einer großen Menge vorliegt, indem kontrolliert wird, dass Fe wie oben erwähnt zu nicht mehr als 3,0% vorliegt. Wenn jedoch der Fe-Gehalt bei einem übermässig niedrigen Wert eingestellt wird, wird es notwendig, Ausgangsmaterialien der Legierung sehr streng auszuwählen, was eine Zunahme der Kosten mit sich bringt und demgemäß wird die Obergrenze von Fe in dieser Erfindung als 3,0% definiert.
Co: nicht mehr als 2,0%
Co ist ein Element, das zur Stabilität der Austenit-Phase ähnlich wie Ni beiträgt, wird jedoch zu nicht mehr als 2,0% in dieser Erfindung eingestellt, um eine Zunahme der Kosten der Legierung zu vermeiden.
Co ist das Element, das in die Nickel-basierte Legierung eingemischt wird, und es wird notwendig, das Ausgangsmaterial der Legierung streng auszuwählen, und die Kosten werden im Gegenteil in dem Fall erhöht, in dem der Co-Gehalt auf einen merklich niedrigeren Wert eingestellt wird, so dass der Co-Gehalt in dieser Erfindung bis zu 2,0% betragen kann.
B: nicht mehr als 0,02%
B ist ein Element, das die Funktion aufweist, die Heißverarbeitbarkeit zusätzlich zur Dauerdehngrenze der Legierung durch Abscheidung an Korngrenzen zu verbessern. Jedoch wird die Heißverarbeitbarkeit der Legierung beeinträchtigt, wenn B zu mehr als 0,02% enthalten ist, und deswegen wird die Obergrenze von B als 0,02% definiert.
Zr: nicht mehr als 0,15%
Zr weist die Funktion auf, die Dauerdehngrenze der Legierung durch Absonderung an den Korngrenzen ähnlich wie B zu verbessern, jedoch wird die Dauerdehngrenze stark beeinträchtigt, wenn Zr zu mehr als 0,15% enthalten ist, und demgemäß ist die Obergrenze von Zr als 0,15% definiert.
Teilweise Kaltverarbeitung auf der Ventiloberfläche oder ähnlichem
Obwohl das durch Schmieden der hochkorrosionsbeständigen Legierung gemäß dieser Erfindung erzielte Ventil im alterungsbehandelten Zustand nach Festlösungsbehandlung gemäß der für das Ventil erforderlichen Eigenschaften verwendet werden kann, kann eine teilweise Kaltverarbeitung weiterhin mit dem Ventil bei verschiedenen Bearbeitungsverhältnissen gemäß Bedarf durchgeführt werden, wie beispielsweise des Typs und der Form des Ventils oder ähnlichem. In diesem Fall ist es wünschenswert, das Ventil am äußeren Randteil der Ventil-Oberfläche in einem Bearbeitungsverhältnis von 20–80% und auf der zentralen Seite auf der Ventilfläche in einem Bearbeitungsverhältnis von 10–30% zu bearbeiten.
Es ist schwierig, die Festigkeit des Ventils an einem Teil ausreichend zu verbessern, an dem eine hohe Festigkeit erforderlich ist, beispielsweise die Ventiloberfläche im Fall der Verarbeitung des Ventils in einem Bearbeitungsverhältnis von weniger als 10% und es ist umgekehrt zu fürchten, dass Risse im Ventil verursacht werden, wenn das Ventil bei einem Bearbeitungsverhältnis von mehr als 80% bearbeitet wird.
In dem Fall, in dem es notwendig ist, die Festlösungsbehandlung oder teilweise Kalt-Bearbeitung durchzuführen, kann die Festlösungsbehandlung unter den folgenden Bedingungen durchgeführt werden:

Temperatur 1020°C bis 1080°C

Zeit 2 Stunden bis 18 Stunden

und die Alterungsbehandlung kann nacheinander unter folgenden Bedingungen durchgeführt werden:

Temperatur 650°C bis 800°C

Zeit 5 Stunden bis 16 Stunden.
Beispiel
Als nächstes wird nachstehend das Beispiel der Erfindung ausführlich beschrieben werden.
Legierungen mit den jeweiligen chemischen Zusammensetzungen, wie in Tabelle 1 dargestellt, wurden in einem Hochfrequenzvakuum-Induktionsofen geschmolzen, wodurch Gussblöcke von 30 kg gewonnen wurden.
Die jeweiligen Gussblöcke wurden zu Rundbalken eines Durchmessers von 85 mm geschmiedet und durch Heißschmieden zu Ventilen ausgebildet, anschließend wurden die Ventile einer Festlösungsbehandlung bei 1020°C für 2 Stunden und darauf einer Alterungsbehandlung bei 750°C für 16 Stunden unterworfen. Durch Verwendung von Exemplaren, die jeweils aus den erzielten Ventilen ausgeschnitten wurden, wurden der V (Vanadium) Angriffstest, der S (Schwefel) Angriffstest und ein Härtetest durchgeführt.
Danach wurde jedes der Ventile 10 mit einem teilweisen Kaltschmieden in einem Reduktionsverhältnis der Ventiloberfläche 12 von 25% in 1 dargestellt behandelt und die Härte der Ventiloberfläche 12 wurde jeweils gemessen (die Ventilform nach dem teilweise Kaltschmieden ist mit gestrichelten Linien in 1 dargestellt). Die erzielten Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 dargestellt.
Der V-Angriffstest und der S-Angriffstest wurden unter den nachfolgenden Bedingungen durchgeführt. Überdies wurde die Messung der Härte durch den Vickers Härte-Tester mit einer Belastung von 10 kg durchgeführt.
(S-Angriffstest)
Verwendung eines Teststücks, das zu einer Größe von 25 × 15 × 5 nun bearbeitet wurde und unter Verwendung von Mischaschen aus Na₂SOa (90%) und NaCl (10%) als Korrosionsaschen wurde das Teststück in den Mischaschen bei 800°C für 20 Stunden gehalten. Die Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem S-Angriff wurde durch Messen des Korrosionsverlustes nach Entfernen der Korrosionsprodukte die an der Oberfläche des Teststückes anhafteten gemessen.
Der vorher erwähnte Test wurde nach Polieren der Oberfläche des Teststückes mit einem Schmirgelpapier Nummer 500 durchgeführt.
(V-Angriffstest)
Der Korrosionsverlust des Teststückes wurde durch Entfernen von Korrosionsprodukten gemessen, die am Teststück anhafteten, nachdem das Teststück in Mischaschen aus V₂O₅ (85%) und Na₂SO₄ (15%) für 20 Stunden bei 800°C gehalten wurde.
Der Test wurde unter Verwendung des selben Teststückes wie dasjenige des S-Angriffs-Testes nach Polieren der Teststück-Oberfläche mit dem Schmirgelpapier Nummer 500 durchgeführt.
Es ist aus den in Tabelle 1 dargestellten Ergebnissen offensichtlich, dass die herkömmliche beziehungsweise konventionelle Legierung Nummer 7, die lediglich Cr in der Größenordnung von 20% enthält, bezüglich der Korrosionsbeständigkeit schlechter ist, insbesondere bei der Beständigkeit gegenüber dem S-Angriff, die konventionelle Legierung Nummer 9, die Cr zu 30% enthält, weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auf, es ist jedoch wegen der Knappheit an Ti und Al unmöglich, eine ausreichende Härte nach der Alterungsbehandlung zu erreichen, und die konventionelle Legierung Nummer 8, die Co zu 12% enthält, weist sowohl eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit als auch Härte nach der Alterungsbehandlung auf, jedoch sind die Kosten der Legierung höher, weil Co in einer großen Menge zugesetzt wird.
Im Gegensatz zu dem obigen weisen die Legierungen gemäß dieser Erfindung in allen Fällen eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Härte nach Alterungsbehandlung auf und sie sind nicht teuer, weil Co in keiner so großen Menge enthalten ist. Es ist weiterhin offensichtlich, dass die Härte der Ventile wirksam durch Durchführen einer teilweisen Kaltberarbeitung der Ventilen verbessert wird, nachdem diese durch Schmieden fertiggepresst wurden.
Obwohl diese Erläuterung bezüglich der bevorzugten Beispiele dieser Erfindung vorgenommen wurde, sind diese lediglich Beispiele für die vorliegende Erfindung.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Dieselmotorventils, mit den Schritten: Schmieden eines Ausgangsmaterials aus einer hochkorrosionsbeständigen Legierung zu einer Ventilform, wobei die Legierung, in Gewichtsprozent, aus nicht mehr als 0,1% C, nicht mehr als 1,0% Si, nicht mehr als 1,0% Mn, mehr als 25% und nicht mehr als 32% Cr, mehr als 2,0% und nicht mehr als 3,0% Ti, 1,0 bis 2,0% Al, nicht mehr als 3,0% Fe, nicht mehr als 2,0% Co, wahlweise einem oder beiden von nicht mehr als 0,02% B und nicht mehr als 0,15% Zr, besteht, und der Restbestandteil Ni und gelegentliche Verunreinigungen sind; Unterziehen des erhaltenen ventilförmigen Schmiedestücks einer Alterungsbehandlung nach oder ohne eine Festlösungsbehandlung; und teilweise Erhöhen der Härte des Ventils durch Unterziehen des alterungsbehandelten Schmiedestücks einer teilweisen Kaltverarbeitung.