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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Ventilanordnung zur Verwendung in einem Motor.
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Motorventile steuern den Strömungsmittelfluss
in und aus einem Motorzylinder oder einer Verbrennungskammer. Sie
passen in den Zylinderkopf und arbeiten innerhalb der Ventilführungen.
Ventilfedern passen über
das obere Ende der Ventile, um die Ventile in einer normalerweise
geschlossenen Position zu halten. Konventionellerweise besitzt jedes
Ventil eine Ventilstirnfläche,
einen Ventilsitz, einen Rand, einen Schaft und ein Spitzen- oder
Abschlussende. Beim Hinabgleiten gleitet das Ventil von seinem Sitz
weg, und der Anschluss wird geöffnet.
Beim Hinaufgleiten stellt das Ventil Kontakt mit seinem Sitz her,
um die Verbrennungskammer vom Anschluss abzudichten.
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Das Einlassventil ist oftmals ein
größeres Ventil
und gestattet, dass eine Kraftstoffladung in einen Motorzylinder
fließt.
Typischerweise fließt
eine Luft-Kraftstoff-Mischung
durch den Einlassanschluss, am Ventil vorbei und in die Verbrennungskammer,
wenn das Ventil geöffnet
ist. Das Auslassventil kann ein kleineres Ventil sein, das sich öffnet, um
verbrannte Gase aus dem Motor austreten zu lassen.
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Automobilmotoren, sowohl Benzin(Gas)-
als auch Dieselmotoren, sind normalerweise Viertaktmotoren. Die
vier Hübe
oder Arbeitszyklen sind die Folgenden: Einlasshub, Kompressionshub,
Leistungshub und Ausstoßhub.
Während
des Einlasshubs werden Luft und Kraftstoff in die Verbrennungskammer
eingesaugt. Der Kolben gleitet nach unten und erzeugt ein Vakuum.
Das Einlassventil wird geöffnet,
und das Auslassventil ist geschlossen. Auf diese Weise wird der
Zylinder mit einem zündbaren
Gemisch aus Kraftstoff und Luft gefüllt.
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Während
des Kompressionshubs wird die Luft-Kraftstoff-Mischung zusammengedrückt, um
sie brennbarer zu machen. Sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile
sind geschlossen. Der Kolben gleitet nach oben und komprimiert die
Mischung in einem kleinen Gebiet der Verbrennungskammer. Für die, richtige
Verbrennung ist es wichtig, dass die Ventile, die Ringe und andere
Komponenten kein Druckleck nach der Verbrennungskammer gestatten.
Ein Leck würde
verhindern, dass beim Kraft- oder Leistungshub die Mischung verbrennt
oder zündet.
Während
des Krafthubs wird die Luft-Kraftstoff-Mischung gezündet und verbrannt, um eine
Gasexpansion, Druck und eine kraftvolle Abwärtsbewegung des Kolbens zu
bewirken. Beide Ventile sind ge- schlossen. Bei einem durch Funken
gezündeten
Motor zündet
eine Zündkerze
die Kraftstoffmischungsverbrennung. Während der Verbrennung dehnt
sich die Mischung aus, und Druck akkumuliert sich in der Verbrennungskammer.
Da der Kolben der einzig bewegliche Teil ist, wird er nach unten
bewegt. Die Abwärtsbewegung wird
auf eine Verwindungsstange und eine Kurbelwelle übertragen, die zur Rotation
gezwungen wird.
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Ein Ausstosshub stößt das verbrannte
Gas aus dem Zylinder hinaus und in das Abgassystem des Autos. Das
Einlassventil bleibt geschlossen, und das Auslassventil gleitet
in seine Öffnungsstellung.
Da sich der Kolben nunmehr nach oben bewegt, werden die verbrannten
Gase aus dem Auslassanschluss ausgestoßen, um den Zylinder zur Aufnahme
einer frischen Ladung aus einer brennbaren Luft-Kraftstoff-Mischung
vorzubereiten. Während
des Auslasshubs besteht weiterhin eine Notwendigkeit für einen
Dichteingriff zwischen dem Einlassventil und seinem Sitz, selbst
in den fortgeschrittenen Phasen der Betriebslebensdauer des Motors.
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Konventionellerweise sind Ventilsitze
runde, bearbeitete Oberflächen,
und zwar aufgenommen in den Anschlussöffnungen zu den Verbrennungskammern.
Wenn das Motorventil schließt,
berührt
das Ventil den Sitz, um den Anschluss abzudichten. Die Ventilsitze
können
Teil des Zylinderkopfea sein, oder sie können als eine separate, eingepresste
Komponente ausgebildet sein. Ein integraler Ventilsitz wird dadurch
hergestellt, dass man ein Werkzeug verwendet, um eine präzise Stirnfläche auf
der Anschlussöffnung
in die Verbrennungskammer zu bearbeiten. Der Sitz ist um die Ventilführung herum
zentriert und mit dieser ausgerichtet, so dass das Ventil auf dem
Sitz zentriert ist. Ein eingepresster Ventilsitz oder ein Sitzeinsatz
ist typischerweise ein se parat bearbeitetes Teil, welches in den
Zylinderkopf durch Presspaasung eingesetzt wird. Die in der Verbrennungskammer
definierte Ausnehmung ist etwas kleiner als der Aussendurchmesser
des Einsatzes. Eine Presse wird verwendet, um den Einsatz in den
Kopf hinein zu treiben. Reibung hält den Sitz bezüglich des
Kopfes.
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Typischerweise werden Stahlventilsitzeinsätze in Aluminiumzylinderköpfen verwendet.
Stahl ist erforderlich, um den hohen Betriebstemperaturen, die durch
die Verbrennung erzeugt werden, zu widerstehen.
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In Benzinmotoren wird ein Gaseinsatz üblicherweise
nicht in Gusseisenzylinderköpfen
verwendet, da die Wärme
nicht so schnell wie bei integralen Sitzen verteilt wird. Bei Hochleistungsdieselmotoren
können niedrig
oder hoch le- gierte Einsätze
in Gusseisenköpfen
verwendet werden.
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Die Charakteristika der Härte und
des Abriebwiderstands werden oftmals durch Induktionshärten verbessert,
was konventionellerweise durch einen elektrischen Heizvorgang erreicht
wird. Induktionsgehärtete Ventilsitze
können
in Motoren zur Erhöhung
der Betriebslebensdauer verwendet werden, obwohl viele kürzlich verwendete
Motoren Aluminiumzylinderköpfe
besitzen, in denen die Ventilsitze nicht ohne Weiteres induktionsgehärtet werden
können.
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Bleiadditive im Kraftstoff haben
in der Vergangenheit geholfen, den Kontakt zwischen den Ventilen
und den Ventilsitzen zu schmieren. Bei hohen Temperaturen wirkt
Blei als ein Schmiermittel dazwischen, aber nicht mit (Blei versetzter
Kraftstoff enthält
nicht mehr die Bleischmiermittel. Zusätzlich ist eine Tendenz vorhanden, dass
die Motorbetriebstemperaturen höher
sind. Somit werden die Probleme der Ventil- und Ventilsitzabnutzung
deutlicher. Um diesen Herausforderungen zu entsprechen, sind gehärtete Ventilstirnflächensitze
insbesondere bei den Ausstosssitzen erforderlich.
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Die Erfindung sieht eine Ventilanordnung
zur Verwendung in einem Motor vor, wobei Folgendes vorgesehen ist:
ein
hin- und herbeweglich innerhalb der Innenbohrung einer Ventilschaftführung aufgenommenes
Ventil, welches Folgendes aufweist:
eine Ventilsitzstirnfläche;
wobei
die Anordnung Folgendes umfasst:
einen Einsatz angebracht innerhalb
des Motors, und zwar in zusammenarbeitender Weise die Ventilsitzoberfläche aufnehmend,
wobei
der Einsatz und die Ventilsitzstirnfläche jeweils mit einer Schicht
versehen sind zum Reduzieren des adhäsiven und abrasiven Abriebs
zwischen der Ventilsitzstirnfläche
und dem Einsatz, wobei jede Schicht im Wesentlichen aus einem Nitrid
besteht, um einen Dichteingriff zwischen denn Einsatz und der Ventilsitzstirnfläche vorzusehen,
wobei jede Schicht eine Dicke von mindestens 20 μm besitzt,
wobei das Ventil
ein Einlassventil ist, welches in Gewichtsprozent Folgendes aufweist:
| C | 0,2–0,6 |
| Mn | 0,2–0,6 |
| Si | 2,8–3,6 |
| Cr | 6,0–10,0 |
| Ni | 0,2–0,6 |
| Fe | Rest;
und |
wobei der Einsatz (
18) Folgendes in Gewichtsprozent
aufweist:
| C | 1,0–2,0 |
| Mn | 0,2–0,6 |
| Si | 2,0–2,5 |
| Cr | 15,0–25,0 |
| Ni | 1,0–1,6 |
| Fe | Rest. |
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Die Erfindung wird im Folgenden im,
Einzelnen beschrieben, und zwar in beispielhafter Weise unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen. In der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Querschnitt einer Ventilanordnung und ihrer zugehörigen Umgebung;
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2 einen
Querschnitt der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
im Einzelnen;
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3 eine
noch mehr ins Einzelne gehende Ansicht des Einsatzes und der Ventilsitzstirnflächen in einer
Dichtbeziehung, wobei die darauf ausge- bildeten Reibungs- und Abriebwiderstandsschichten
dargestellt sind;
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4 eine
graphische Darstellung des Abriebwiderstands, und zwar im Vergleich
der Performance-Charakteristika für vier unterschiedliche Legierungen,
die 24 Stunden lang getestet wurden;
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5 eine
graphische Darstellung des Abriebwiderstands bei einem Vergleich
der Performance-Charakteristika von vier unterschiedlichen Legierungen,
die 600 Stunden lang getestet wurden;
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6 eine
graphische Darstellung der Härte
abhängig
von dem Abstand von der Oberfläche.
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Als Erstes sei auf die 1-3 Bezug genommen, wo eine Ventilanordnung 10 zur
Verwendung in einem Motor dargestellt ist. Die Anordnung 10 weist
ein Ventil 12 auf, welches hin- und herbeweglich innerhalb der
Innenbohrung der Ventilschaftführung 14 aufgenommen
ist. Wie dargestellt, ist die Ventilschaftführung 14 eine rohrförmige Struktur,
die in den Zylinderkopf 24 eingesetzt ist.
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Die Erfindung ist jedoch nicht in
dieser Weise beschränkt.
Alternative Ausführungsbeispiele
können
es erforderlich machen, dass der Zylinderkopf selbst eine Führung für den Ventilschaft
vorsieht, und zwar ohne Zwischenschaltung der rohrförmigen Struktur,
um als Ventitschaftführung
zu dienen.
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Das Ventil 12 weist eine
Ventilsitzstirnfläche 16 auf.
Die Ventilsitzstirnfläche 16 sitzt
zwischen dem Rand 26 und dem Hals 28 des Ventils 12.
Oberhalb des Halses 28 ist ein Ventilschaft 30 angeordnet,
der innerhalb der Ventilschaftführung 14 aufgenommen
ist.
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Die Ventilanordnung 10 weist
einen Einsatz 18 auf, und zwar angebracht innerhalb des
Zylinderkopfes 24 des Motors. Vorzugsweise ist der Einsatz 18 im
Querschnitt ringförmig.
Der Einsatz 18 nimmt in zusammenarbeitender Weise die Ventilsitzstirnfläche 16 auf.
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Um einen Dichteingriff sicherzustellen,
sind jeweils der Einsatz 18 und die Ventilsitzstirnfläche 16 mit (vgl. 3) einer Schicht 20, 22 versehen,
um den Adhäsions-
und Abrasionsabrieb zwischen der Ventilsitzstirnfläche 16 und
dem Einsatz 18 zu reduzieren. Vorzugsweise besteht jede
Schicht 20, 22 im Wesentlichen aus einem Nitrid,
welches die erforderlichen Abriebcharakteristika vorsieht und die
Betriebslebensdauer der Ventilanordnung 10 verlängert.
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Die Ventilsitzstirnflächenschicht
22 weist
("Sursulf/S-XB"; alle Prozentsätze
sind hier in Gewichtsprozent) Folgendes auf:
| C | 0,2–0,6 |
| Mn | 0,2–0,6 |
| Si | 2,8–3,6 |
| Cr | 6,0–10,0 |
| Ni | 0,2–0,6 |
| Fe | Rest;
und |
wobei der Einsatz (
20) Folgendes aufweist:
| C | 1,0–2,0 |
| Mn | 0,2–0,6 |
| Si | 2,0–2,5 |
| Cr | 15,0–25,0 |
| Ni | 1,0–1,6 |
| Fe | Rest. |
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Andere typische Motorventil- und
Einsatzmaterialien sind in der Tabelle 1 angegeben.
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In einem Ausführungsbeispiel sind der Einsatz 18 und
die Ventilsitzstirnfläche 16 jeweils
mit einer Schicht 20, 22 versehen, die im Wesentlichen
aus einem Nitrid von ungefähr
20–40 μm Dicke besteht.
Günstige
Ergebnisse wurden bei Verwendung einer Schichtdicke von mindestens
20 μm erreicht,
aber 20–40 μm werden
bevorzugt.
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Ein nitrierter Pulvermetalleinsatz
wurde mit zufriedenstellenden Ergebnissen in den Hochleistungsdiesetanwendungen
getestet, wobei die folgenden Nominalzusammensetzungen (in Gewichtsprozent)
verwendet wurden:
| C | 0,5–1,5 |
| Mn | 0,2–0,75 |
| Si | 2,5–3,5 |
| Cr | 3,5–4,5 |
| Mo | 4,5–5,5 |
| Fe | Rest;
und |
| V | 1,2–2,5 |
| W | 6–7 |
| Festes
Schmiermittel | 2–4 |
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Und in einem weiteren (prophetischen)
Beispiel:
| C | 1,0–2,0 |
| Cr | 9-17 |
| Mo | 0–2,0 |
| Ni | 0,5–4,0 |
| Si | 0–1,8 |
| Mn | 0–5,0 |
| Cu | 2,0–5,0 |
| Fe | Rest. |
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Ohne an irgendeine spezielle Theorie
gebunden zu sein, nehmen die Erfinder an, dass bei Pulvermetalleinsätzen infolge
der Porösität Stickstoff
die Tendenz hat, tiefer in den Körper
einzudringen. Die Teilchen werden dann mit einer Nitridschicht überzogen
oder beschichtet. Dies gestattet eine Bearbeitung ohne die Schicht
vollständig
zu verlieren.
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Eine Beschreibung des Testverfahrens
enthält
die folgende Literaturstelle: Y. Y. Wang et al., "The Effect of
Operating Conditions on Heavy Duty Engine Valve Seat Wear", WEAR
201 (1996).
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Das Verfahren, durch das eine Komponente
nitriert werden kann, ist zum Einen ein als "Sursulf treatment"
bezeichnetes Verfahren, welches in der folgenden Literaturstelle
beschrieben ist: "Nitriding in a Cyanate Based Salt Bath to Improve
Resistance to Scuffing Wear and Fatigue" von Brian Radford in Industrial
Heatin, Bd. 46, #6, 1979. Alternativ kann ein Melonit- oder Tufftrid- oder QPQ-Verfahren
verwendet werden, um eine nitrierte Schicht vorzusehen, wie dies
in der folgenden Literaturstelle beschrieben ist: "Basics of Salt
Bath Nitriding" von James Easterday in Proceedings of Salt Bath
Nitriding Seminar, 29. Oktober 1985.
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Die Salzbadnitrierung (salt bath
nitriding = SBN) verbessert die Abriebeigenschaften, die Ermüdungsfestigkeit,
den Frettingwiderstand und den Korrosionswiderstand. Vergleiche
dazu beispielsweise die folgende Literaturstelle und die darin genannten
Referenzen: Y. S. Wang et al., Enging Intake Valve Seat Wear Study, Eaton
Corp., S. 1. Die SBN sieht tendenziell Folgendes vor: geringe Verformung,
da niedrige Prozesstemperaturen auftreten, die Abwesenheit von Phasentransformationen,
und hohen Temperingwiderstand assoziiert mit der hohen Härteeigenschaft
bei Oberflächentemperaturen,
die unterhalb der Nitriertemperatur liegen. Vergleiche die oben
genannte Druckschrift, S. 1. Die SBN ist ein thermochemischer Diffusionsprozess,
der eine Verbindungsschicht oder eine Compoundschicht erzeugt (Epsilon-Eisennitrid,
Fe3N) mit hoher Härte durch die Diffusion des
atomaren Stickstoffs in die Oberflächen. Benachbart zu der Compoundzone
liegt eine viel geringere Konzentration von diffundiertem Stickstoff
in fester Lösung
mit Eisen vor. Diese Region oder Zone wird als Diffusionszone bezeichnet.
Die Hauptphasen, die über
diesen Bereich hinweg abhängig
von den Verfahrensbedingungen auftreten, sind die Folgenden: Eisennitrid,
y' und Epsilon-Eisennitrid sowie amorphe Kohlenstoffnitride. Das
Fe3N und die Oxidschicht in der SBN-Oberfläche sehen
von Natur aus eine schmierfähige Oberfläche vor,
was den Reibungs koeffizienten reduziert, und zwar entweder unter
geschmierten und/oder nicht geschmierten Bedingungen.
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Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung
eines Ventilsitzeinsatzes und exemplarische chemische Zusammensetzungen
sind in U. S.-Patent Nr. 4,724,000 beschrieben (dieses Patent hat
den gleichen Inhaber wie die vorliegende An- meldung). Konventionellerweise
kann die Nitridschicht auf dem Ventil oder dem Einsatz durch irgendeines
der Nitrierbehandlungsverfahren, die heutzutage verfügbar sind,
hergestellt werden, wie beispielsweise durch Salzbadnitrierung,
Gasnitrierung oder Ionennitrierung. Details dieser konventionellen Herstellungsverfahren,
sind hieraus Gründen
der Kürze
nicht ausgeführt,
da die Kenntnis solcher konventioneller Verfahren beim Fachmann
als bekannt vorausgesetzt wird.
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In der Produktion kann das Ventil
aus einer Kohlenstofflegierung, einem rostfreien Stahl oder einer
auf Nickel basierenden Legierung hergestellt sein. Das Ventil kann
entweder massiv oder hohl sein. Der Einsatz kann gebildet oder geformt
sein aus Gusseisen, einem Stahl, einer auf Nickel basierenden Legie-
rung oder aus einer auf Kobalt basierenden Legierung.
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Geeignete Techniken für die Herstellung
des Einsatzes verwenden eine Rohmetalllegierung, eine Gussmetalllegierung
oder eine Pulvermetalllegierung.
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4 stellt
den Ventilsitzabriebswiderstand dar, und zwar abhängig von
der Kombination der Einsätze.
Bemerkenswert ist, dass der Gesamtabrieb der Sursulf/S-XB Ventilsitz-/Einsatzkombination
den niedrigsten Wert besitzt unter denjenigen, die über 24 Stunden
hinweg getestet wurden.
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In 5 sind
die Ergebnisse der Motortests dargestellt, und zwar 600 Stunden überspannend,
während
welcher die T400/T400 Ventilsitz-/Einsatzkombination
einen Gesamtabrieb zeigte, der kleiner ist als der maximal akzeptable. Ähnliche
Kommentare gelten für
die Sursulf/T400 Ventilsitz-/Einsatzkombination.
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Diese Ergebnisse (4-5)
zeigen eine Korrelation zwischen Rig- und Motorsitzabriebtests und
Abriebswiderstandsverbesserungen eines nitrierten Ventils und eines
nitrierten Einsatzes gegenüber
einem eine Kostenprämie
verlangenden Material (T400). Der Motortest wurde mit einem Hochleistungsdieselmotor
ausgeführt,
wobei der Dauerhaftigkeitszyklus 600 Stunden überspannte. Die derzeitige
Produktionskombination von Ventil und Einsatz war für bestimmte
Motoranwendungen nicht akzeptabel. Das Material mit hohen Kosten (T400)
kann die Vorschriften erfüllen.
Der Rig-Test wurde gemäß den Verfahren
ausgeführt,
die in dem oben genannten "WEAR"(1996)-Artikel erläutert, sind.
Die Ergebnisse zeigen, dass eine Kombination des nitrierten Ventils
und nitrierten Einsatzes (Sursulf/S-XB) eine bessere Leistungsfähigkeit
zeigte als der Spitzenreiter und die Hochkostenkombination eines
T400 Stirnflächenventils
und eines T400 Einsatzes.
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Vorzugsweise sind die Sitzeinsätze in einem
fertig bearbeiteten (finished) oder nahe-netto-Formzustand, bevor
sie dem einen oder anderen Nitrierprozess ausgesetzt werden. Bisher
war es nicht als möglich angesehen,
den Einsatz zu nitrieren, und zwar wegen der Bearbeitungserfordernisse,
die den Vorteil des Nitrierens eines Einsatzes eliminieren würden. Nunmehr
beginnen die Hersteller von Hochleistungsdieselmotoren vor-endbearbeitete
(prefinished) Einsätze
zu akzeptieren, die nitrierte Einsätze praktikabel machen.
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Ein "pre-finished" nitrierter Einsatz
ist nicht nur deshalb attraktiv, weil die nitrierte Schicht einen
hohen Abriebswiderstand vorsieht, sondern weil auch mehr Hersteller
von Hochleistungsdieselmotoren nahe-netto-förmige (oder endbearbeitete
bzw. finished) Einsätze
verwenden, und zwar infolge der Möglichkeit der Hochpräzisionsbearbeitung.
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Die vorliegende Erfindung steht somit
im Kontrast zu vorherigen Verfahrensweisen. In der Vergangenheit
wurden Ventilsitzeinsätze
in den Motorkopfanordnungen (entweder Gusseisenköpfe oder Aluminiumköpfe) in
die Köpfe
in einem grob bearbeiteten Zustand eingesetzt. Nach der Installation wurden
sie endbearbeitet, und zwar im Zylinderkopf, um den notwendigen
Sitzwinkel, die notwendige Konzentrizität und den notwendigen Oberflächenzustand
für die
Sitzoberfläche
zu erreichen. Mit den Fortschritten in der Guss- und Bearbeitungstechnik können mehr
und mehr Motoren, insbesondere Hochleistungsdieselmotoren, Zylinderköpfe besitzen,
die so präzise
bearbeitet sind, dass sie vor-endbearbeitete (pre-finished) Sitzeinsätze akzeptieren,
die nach Einbau keine Weiterbearbeitung erfordern.
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Da die als abriebsbeständiger Überzug offenbarte
nitrierte Schicht so dünn
wie 20-40 μm
sein kann, toleriert ein nitrierter Einsatz keine weitere Bearbeitung
(mit der Ausnahme eines Poliervorgangs, der nicht mehr als zwei
Mikron von der Oberfläche
entfernt), ohne die abriebsbeständige
Schicht zu komprimittieren. Eine derartig nitrierte Schicht kann
auf die Zylinderköpfe
aufgebracht werden, die vor-endbearbeitete Einsätze akzeptieren können. Demgemäß gibt es
einen ansteigenden Trend zur Anwendung von vorendbearbeiteten (pre-finished)
Komponenten, wie beispielsweise Ventilsitzen und Führungen
bei Hochleistungsdieselmotoren oder bei Erdgasmotoren. Ein ähnlicher
Trend kann auch bei Passagierautomotoren erwartet werden, da sich die
Bearbeitungstechnologie hinsichtlich der Toleranzen bei der Bearbeitung
von vorherrschend in der Passagierautomobilindustrie verwendeten
Aluminiumköpfen
verbessert.
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