DE69911832T2

DE69911832T2 - Verfahren zur Verbindung eines ersten Teils mit einem zweiten Teil durch Pressen und Heizen

Info

Publication number: DE69911832T2
Application number: DE69911832T
Authority: DE
Inventors: Seiji Kure-shi Nomura; Satoshi Nanba
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: EP0947277A3; CN1234311A; KR19990077999A; CN1219624C; JPH11285842A; TW438641B; EP0947277A2; US6323458B1; DE69911832D1; EP0947277B1; JP3752830B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Metallteils mit einem zweiten Metallteil durch Pressen und Erwärmen.
Zum Verbinden von Metallteilen in Fällen wie der Verbindung eines Ventilsitzes eines Motorzylinderkopfs mit dem Umfang einer Öffnung eines Lufteinlasses oder einer Auslassöffnung des Zylinderkopfkörpers sind verschiedene Verfahren bekannt.
Beispielsweise beschreibt die japanische Patentveröffentlichung JP-A 8-100701 ein Verfahren zum Verbinden eines Ventilsitzes mit einem Zylinderkopfkörper auf Al-Basis durch Hartlöten unter Verwendung eines Al-Zn-Hartlötmaterials und eines Fluoridflussmittels.
Es ist auch ein Verfahren bekannt, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung JP-A 58-13481 beschrieben ist, bei dem Metallteile durch Widerstandsschweißen verbunden werden, bei dem die Wärme genutzt wird, die durch den Kontaktwiderstand zwischen zusammenpassenden Flächen der beiden Teile erzeugt wird. Bezüglich des Widerstandsschweißens wurde vorgeschlagen, die Wärmemenge zu erhöhen, die in den zusammenpassenden Oberflächen erzeugt wird, und zwar durch Tränken von Poren in einem Ventilsitz, der aus einem gesinterten Material hergestellt ist, mit einem Tränkmetall, wodurch die Wärmemenge vermindert wird, die innerhalb des gesinterten Materials erzeugt wird, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung JP-A 6-58116 beschrieben ist, oder durch die Bildung eines Films auf der Ventilsitzoberfläche und die Verschmelzung des Films, wenn der Ventilsitz mit dem Zylinderkopfkörper verschweißt wird, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung JP-A 8-270499 beschrieben ist.
Wie es ferner in der japanischen Patentveröffentlichung JP-A 200148 beschrieben ist, die als nächstkommender Stand der Technik betrachtet wird (vgl. auch die EP-A 0 923 069), wird vorgeschlagen, ein Festphasendiffusionsverbinden (Druckschweißen) des Ventilsitzes und des Zylinderkopfkörpers durchzuführen, während eine plastisch verformte Schicht auf der Verbindungsfläche des Zylinderkopfkörpers ausgebildet wird, ohne eine geschmolzene Reaktionsschicht zu bilden.
Wenn die Metallteile durch Druck und Wärme verbunden werden, die wie beim Widerstandsschweißen oder beim Festphasendiffusionsverbindungsverfahren durch Durchleiten eines elektrischen Stroms durch die Metallteile erzeugt wird, ist es dann, wenn eines der Metallteile ein gesintertes Metall wie z. B. ein Ventilsitz ist, erwünscht, die Poren innerhalb des gesinterten Materials mit einem Metall mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit zu tränken, wie z. B. mit Cu, wie es in der japanischen Patentveröffentlichung JP-A 6-58116 und in der JP-A 8-200148 vorgeschlagen wird. Dies ermöglicht die Absenkung des spezifischen Materialwiderstands der gesinterten Materials durch das Tränkmetall und die Wärmeerzeugung innerhalb des gesinterten Materials beim Durchleiten eines Stroms, wodurch Wärme in den zusammenpassenden Flächen effektiv erzeugt und eine bessere Verbindung erreicht wird.
Das Einbringen eines Tränkmetalls in das gesinterte Material durch Tränken erfordert jedoch einen zusätzlichen Schritt in dem Verfahren, was zu erhöhten Herstellungskosten führt. Da das Tränkmetall im Allgemeinen auch die Wärmeleitfähigkeit erhöht, weist ein Ventilsitz oder dergleichen, der bei einer hohen Temperatur eingesetzt wird, das Problem auf, dass die Wärmeverteilungseffizienz aufgrund der kombinierten Effekte sowohl der erhöhten Wärmeleitfähigkeit als auch des Verbindungseffekts zu groß wird, wodurch die Bildung eines Oxidfilms auf der Oberfläche schwierig wird, was zu einer schlechten Verschleißbeständigkeit auf dem Ventilsitz führt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Verbinden von zwei Metallteilen durch Pressen und Erwärmen aufgrund der beim Durchleiten eines elektrischen Stroms durch die Metallteile erzeugten Wärme unter Verwendung eines geeigneten gesinterten Materials für das erste Metallteil, um die Herstellungskosten durch Beseitigen des Tränkschritts zu senken, und um insbesondere im Fall des Verbindens des Ventilsitzes mit dem Zylinderkopf die Verschleißbeständigkeit eines Ventilsitzes durch Hemmen einer Zunahme der Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Die Lösung dieses Problems ist in Anspruch 1 angegeben.
In diesem Verfahren wird als erstes Metallteil ein gesintertes Material verwendet, das durch Sintern eines pulverförmigen Materials hergestellt wird, in dem Teilchen dispergiert sind, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Obwohl das erste Metallteil anders als ein getränktes Material, das mit Cu oder dergleichen getränkt wird, darin ausgebildete Poren aufweist, wird das erste Metallteil in diesem Schema im Vorhinein mit den darin dispergierten Teilchen gesintert, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, und daher kann der spezifische Materialwiderstand des ersten Metallteils verglichen mit demjenigen des getränkten Materials bei einem etwas höheren Niveau gehalten werden. Dies ermöglicht die Hemmung der Wärmeerzeugung beim Durchleiten eines Stroms trotz der Anwesenheit von Poren und das Erreichen einer besseren Verbindung, ohne dass nach dem Sintern ein Bedarf für ein Tränken des Materials mit Cu oder dergleichen besteht.
Andererseits kann die Wärmeleitfähigkeit aufgrund des isolierenden Effekts der Poren niedriger gehalten werden als die Wärmeleitfähigkeit des getränkten Materials und daher kann in dem Fall, bei dem das erste Metallteil ein Ventilsitz ist, der bei einer hohen Temperatur verwendet wird, während des Gebrauchs auf den Ventilsitzen ein Oxidfilm gebildet werden, da die Wärmeabführungseffizienz bei einem geeigneten Niveau gehalten wird, was die Verbesserung der Verschleißbeständigkeit der Oberfläche des Ventilsitzes ermöglicht. Folglich wird es möglich, die Herstellungskosten zu senken, während eine zufriedenstellende Verbindung erreicht wird, und die Verschleißbeständigkeit des ersten Metallteils zu verbessern, wenn das verbundene Metallteil bei einer hohen Temperatur verwendet wird.
Teilchen mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit sind hier als Substanz definiert, die einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 3 × 10^–8 Ωm aufweist.
Erfindungsgemäß wird Kupfer als Substanz mit hoher elektrischer Leitfähigkeit verwendet. Dies ermöglicht es, den spezifischen Materialwiderstand des ersten Metallteils effektiv abzusenken, während die Herstellungskosten niedrig gehalten werden.
In der vorliegenden Erfindung werden das erste und das zweite Metallteil im Vorhinein miteinander in einem Oberflächenkontakt gehalten, bevor darauf Wärme und Druck ausgeübt werden.
Erfindungsgemäß wird es ermöglicht, das erste Metallteil während des Verbindens effektiv vor einer Überhitzung zu bewahren, da das erste Metallteil eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das getränkte Material.
Im Allgemeinen wird in einem Fall, bei dem ein Strom zugeführt und ein Druck ausgeübt wird, nachdem die Basismetalle miteinander in Punktkontakt oder in einen linearen Kontakt gebracht worden sind, die Wärme, die in den zusammenpassenden Oberflächen in einer frühen Stufe des Stromflusses erzeugt wird, in der Nähe des Kontaktpunkts oder der Kontaktlinie signifikant konzentriert. Als Folge davon ist es wahrscheinlich, dass das erste Metallteil aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit überhitzt wird. Da darüber hinaus das erste Metallteil aufgrund der Porosität eine relativ geringere Festigkeit aufweist, ist es wahrscheinlich, dass sich die Oberfläche des ersten Metallteils, das verbunden werden soll, verformt.
Erfindungsgemäß ist jedoch die Wärmemenge optimiert, die in der verbundenen Oberfläche erzeugt wird, die in einem Oberflächenkontakt steht, und ein Überhitzen des ersten Metallteils kann trotz der niedrigen Wärmeleitfähigkeit verhindert werden. Folglich kann der Druck sicher über die Grenzfläche der zusammenpassenden Oberflächen übertragen werden, während eine Verformung der zusammenpassenden Oberflächen verhindert wird, und die Verbindung kann besser erreicht werden.
Die Fläche des Oberflächenkontakts kann hier vorzugsweise in einem Bereich von 40 bis 200 mm² liegen (mehr bevorzugt von 40 bis 100 mm²).
Das erste Metallteil kann vorzugsweise eine elektrische Leitfähigkeit in einem Bereich auf der dem zweiten Metallteil gegenüberliegenden Seite aufweisen, die höher ist als in dem anderen, dem zweiten Metallteil nahen Bereich.
Dieses Schema ermöglicht die Steuerung der Wärme, die in der verbundenen Oberfläche erzeugt wird, auf ein optimales Niveau, während die in dem ersten Metallteil erzeugte Wärme minimiert wird, und es ermöglicht, dass der Bereich des ersten Metallteils in der Nähe der verbundenen Oberfläche eine hohe Festigkeit aufweist, und damit ein effektiveres Verhindern einer Verformung des ersten Metallteils aufgrund einer Überhitzung in der verbundenen Oberfläche während des Verbindens. Andererseits ist es einfach, das erste Metallteil so zu gestalten, dass es in einem Bereich auf der dem zweiten Metallteil gegenüberliegenden Seite eine andere elektrische Leitfähigkeit aufweist, als in dem anderen, dem zweiten Metallteil nahen Bereich. Beispielsweise können diese Bereiche aus unterschiedlichen Materialien hergestellt und temporär getrennt gesintert und anschließend zusammengesetzt und einem Endsintern unterworfen werden. Folglich kann die Einfachheit des Verbindens mit einem einfachen Verfahren verbessert werden. Wenn das erste Metallteil ein Ventilsitz oder dergleichen ist, dann kann der Bereich des ersten Metallteils auf der dem zweiten Metallteil gegenüberliegenden Seite als Bereich vorgesehen werden, der in einem Verfahren nach dem Verbinden geschnitten wird, wodurch es möglich wird, das Material für den gegenüberliegenden Bereich auszuwählen, ohne auf die Leistungs- und Eigenschaftserfordernisse für den Einsatz beschränkt zu sein.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Variation, bei der eine Verbindungsfläche des ersten Metallteils im Vorhinein mit einer Schicht des Hartlötmaterials durch eine in der Oberfläche ausgebildete Diffusionsschicht beschichtet wird. Das Hartlötmaterial ist aus einer eutektischen Legierung ausgewählt, die eine Hauptmetallkomponente des zweiten Metallteils um fasst, welche einen niedrigeren Schmelzpunkt sowohl als das erste als auch als das zweite Metallteil aufweist. Danach wird das erste Metallteil mit dem zweiten Metallteil durch Druck und Wärme verbunden, die durch Durchleiten eines elektrischen Stroms über beide Metallteile erzeugt wird, um das Hartlötmaterial bei einer Temperatur zu schmelzen, die höher ist als der Schmelzpunkt des Hartlötmaterials, wodurch in der Oberfläche des zweiten Metallteils eine andere Diffusionsschicht gebildet wird, die aus Komponenten des Hartlötmaterials und des zweiten Metallteils besteht. Durch Pressen der beiden Metallteile wird das restliche geschmolzene Hartlötmaterial aus den zusammenpassenden Oberflächen der Metallteile herausgepresst, wodurch die Metallteile durch eine Flüssigphasendiffusion aufgrund der Diffusionsschichten verbunden werden.
Da das erste Metallteil und das zweite Metallteil in dem Zustand einer Flüssigphasendiffusion aufgrund der Diffusionsschichten verbunden werden, während das Hartlötmaterial herausgepresst wird, werden ein Oxidfilm, der auf der Oberfläche des zweiten Metallteils gebildet worden ist, und Verunreinigungen zusammen mit dem Hartlötmaterial herausgepresst und die Diffusionsschichten werden direkt miteinander verbunden, ohne dass die Hartlötmaterialschicht dazwischen angeordnet ist. Während ein Hartlötmaterial im Allgemeinen einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist, was zu einer niedrigeren Wärmebeständigkeit der Verbindung führt, erzeugt das erfindungsgemäße Verfahren eine Verbindung mit einem höheren Schmelzpunkt, da das Legieren des Hartlötmaterials mit dem ersten Metallteil die Zusammensetzung des Hartlötmaterials verändert. Folglich erreicht das Hartlötmaterial eine Festigkeit und eine Wärmebeständigkeit, die höher sind als die ursprünglichen Eigenschaften. Das Flüssigphasendiffusionsverbindungsverfahren, das die vorstehend beschriebenen Vorteile aufweist, die mit dem Stand der Technik nicht erreicht werden können, erfordert die Minimierung der Wärmeerzeugung in dem zu verbindenden Material und das effektive und sichere Schmelzen des Hartlötmaterials. Erfindungsgemäß tritt jedoch kein Problem auf, da eine geeignete Wärmemenge in den zusammenpassenden Oberflächen erzeugt werden kann, ohne ein Tränkmaterial zu verwenden. Folglich wird es möglich, die Verbindungsfestigkeit zwischen den Metallteilen sicher zu verbessern.
In der vorliegenden Erfindung kann das erste Metallteil vorzugsweise ein Material auf Fe-Basis sein, das zweite Metallteil kann ein Material auf Al-Basis sein und das Hartlötmaterial kann eine Legierung auf Zn-Basis sein.
Da das Zn-Hartlötmaterial einen relativ niedrigen Schmelzpunkt aufweisen kann, kann das Hartlötmaterial geschmolzen werden, so dass es einfach und zuverlässig herausgepresst werden kann.
Darüber hinaus kann das Hartlötmaterial auf Zn-Basis durch eine Reaktion auf dem ersten Metallteil auf Fe-Basis einfach eine Fe-Zn-Diffusionsschicht bilden und durch Reaktion mit dem zweiten Metallteil aus Al eine Al-Zn-Diffusionsschicht bilden. Da die Verbindung nur diese beiden Diffusionsschichten umfasst, kann die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen auf der Basis von Fe-Al effektiv verhindert werden. Folglich kann eine Kombination von Materialien erhalten werden, die für das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren am besten geeignet ist.
In der vorliegenden Erfindung kann das Hartlötmaterial vorzugsweise eine eutektische Zn-Al-Legierung sein. Der Schmelzpunkt des Hartlötmaterials kann durch Bildung einer eutektischen Legierung aus 95 Gew.-% Zn und 5 Gew.-% Al sehr niedrig gemacht werden. Insbesondere weist das Hartlötmaterial nach dem Verbinden einen höheren Schmelzpunkt auf, da sich der Zn-Gehalt in dem ersten und dem zweiten Metallteil verteilt, was zu einem niedrigeren Zn-Gehalt des Hartlötmaterials führt. Da die Fe-Zn-Legierung in der Diffusionsschicht des Hartlötmaterials mit dem ersten Metallteil und die Al-Zn-Legierung in der Diffusionsschicht des Hartlötmaterials mit dem zweiten Metallteil Schmelzpunkte aufweisen, die höher sind als diejenigen des Hartlötmaterials vor dem Verbinden, wird die Wärmebeständigkeit der verbundenen Metallteile sicher höher als diejenige des ursprünglichen Hartlötmaterials. Darüber hinaus hat die Bildung der eutektischen Legierung die folgenden Vorteile: (1) Zu verbindende Metalle können in einem kürzeren Zeitraum geschmolzen werden, so dass die Zeit verringert wird, die zum Verbinden erforderlich ist, da der Schmelzpunkt den kleinsten möglichen Wert erreicht, (2) die Stabilität der Verbindung kann verbessert werden, da die eutektische Legierung anders als im Stand der Technik nicht während des Verbindungsverfahrens gebildet wird, und (3) es bildet sich keine spröde Metallschicht. Folglich kann ein spezielles Material für das Hartlötmaterial, das einen niedrigen Schmelzpunkt aufweist und leicht handhabbar ist, leicht gefunden werden.
In der vorliegenden Erfindung wird das erste Metallteil, das in ein Hartlötmaterialbad eingetaucht ist, auf dessen Oberfläche unter Verwendung einer Ultraschallvibration mit dem Hartlötmaterial beschichtet, wodurch eine Schicht des Hartlötmaterials und in der ersten Metallschicht eine Diffusionsschicht des Hartlötmaterials zu dem ersten Metallteil ausgebildet wird.
Da der Oxidfilm und die Plattierungsschicht, die auf der Oberfläche des ersten Metallteils ausgebildet sind, durch den Kavitationseffekt der Ultraschallwelle zerstört werden, kann das Hartlötmaterial in das erste Metallteil mit einer größeren Sicherheit diffundieren als bei der Anwendung eines mechanischen Verfahrens des Reibens des Hartlötmaterials gegen das erste Metallteil. Dieses Verfahren beseitigt auch den Bedarf für einen anschließenden Schritt des Entfernens eines Flussmittels, der erforderlich ist, wenn unter Verwendung eines Flussmittels hartgelötet wird. Folglich wird es möglich, die Diffusionsschicht des Hartlötmaterials und des ersten Metallteils mit einem einfachen Verfahren sicher auszubilden und ein verbundenes Metallteil mit einer hohen Verbindungsfestigkeit zu erhalten.
In der vorliegenden Erfindung werden das erste und das zweite Metallteil durch Verursachen eines plastischen Fließens in der zu verbindenden Oberfläche des zweiten Metallteils miteinander verbunden.
Da das plastische Fließen den auf der Oberfläche des zweiten Metallteils ausgebildeten Oxidfilm effektiv zerstört, ist es nicht erforderlich, die Oberfläche des zweiten Metallteils zu schützen. Es ist auch möglich, das plastische Fließen des zweiten Metallteils einfach durch den Druck zu verursachen, der zum Zusammenhalten des ersten und des zweiten Metallteils eingesetzt wird, und daher ist für das plastische Fließen keine spezielle Einrichtung erforderlich. Da in der vorliegenden Erfindung insbesondere der Oxidfilm und die Verunreinigungen von der Oberfläche des zweiten Metallteils zusammen mit dem restlichen geschmolzenen Hartlötmaterial entfernt werden, kann das Hartlötmaterial sicher in dem zweiten Metallteil verteilt werden, wodurch die Diffusionsschicht aus dem Hartlötmaterial und dem zweiten Metallteil mit einem einfachen Verfahren sicher ausgebildet werden kann. Folglich kann bei der Verbindungsfestigkeit des verbundenen Metallteils eine weitere Verbesserung erreicht werden.
Die 1 bis 22 und 28 bis 58 stellen Ausführungsformen und/oder Beispiele dar, die nicht vom Schutzbereich des Anspruchs 1 umfasst sind.
1 ist eine Schnittansicht des Motorzylinderkopfs als Metallteil, das gemäß der Ausführungsform 1 verbunden werden soll.
2 ist eine Schnittansicht, die schematisch den verbundenen Zustand des Ventilsitzes und des Zylinderkopfkörpers zeigt.
3 ist eine Schnittansicht, welche die Form des Ventilsitzes vor dem Verbinden zeigt.
Die 4A bis 4C sind Schnittansichten eines Ventilsitzes und eines Zylinderkopfkörpers, die das Verfahren des Verbinders des Ventilsitzes mit dem Zylinderkopfkörper zeigen.
Die 5A bis 5C sind Schnittansichten, die schematisch das Verfahren des Verbinders des ersten Verbindungsteils mit dem zweiten Verbindungsteil mit einem Hartlötmaterial zeigen.
6 ist eine Schnittansicht, die einen Hartlötbehälter zum Beschichten eines Ventilsitzes zeigt, der in ein Hartlötmaterialbad eingetaucht ist und mit dem Hartlötmaterial während des Anwenders einer Ultraschallvibration beschichtet wird.
7 ist eine Seitenansicht der Schweißvorrichtung zum Verbinden von zwei Metallteilen.
8A zeigt eine Ansicht einer oberen Elektrode für eine Buckelschweißvorrichtung in der Richtung des Pfeils VIII in 7 und 8B zeigt eine Ansicht der oberen Elektrode von unten.
9 ist ein Zeitdiagramm, das die Änderung des Drucks und des Stroms zeigt, der in einem Verbindungsverfahren auf die beiden sich verbindenden Metallteile ausgeübt bzw. diesen zugeführt wird.
10 ist ein Zeitdiagramm, das dem von 9 ähnlich ist und ein weiteres Beispiel der Steuerung des Drucks und des Stroms in dem Verbindungsverfahren zeigt.
11 ist ein Gleichgewichts-Phasendiagramm einer binären Al-Zn-Legierung.
12 ist ein Zeitdiagramm, das dem von 9 ähnlich ist und einen weiteren Aspekt der Steuerung des Drucks und eines gepulsten Stroms zeigt.
13 ist ein Zeitdiagramm, das die Änderung des Drucks und des gepulsten Stroms, der auf die beiden sich verbindenden Metallteile ausgeübt bzw. diesen zugeführt wird, sowie die Änderung der Temperatur in den Teilen in einem Verbindungsverfahren zeigt.
Die 14A bis 14C zeigen Zeitdiagramme von drei Arten der Stromsteuerung mit einem Druck in dem Verbindungsverfahren.
15 ist eine Schnittansicht einer oberen Elektrode, die sich in Kontakt mit den beiden sich verbindenden Metallteilen in einer Buckelschweißvorrichtung befindet, und zeigt den Zustand des Sprühens von Kühlwasser auf die Innenfläche des Ventilsitzes.
16 ist ein Zeitdiagramm, das dem von 9 ähnlich ist und einen weiteren Aspekt der Steuerung des Drucks und des Stroms in dem Verbindungsverfahren zeigt.
Die 17A und 17B zeigen Zeitdiagramme von zwei Arten der Stromsteuerung mit einem Druck in dem Verbindungsverfahren.
18 ist eine Schnittansicht einer oberen Elektrode, die sich in Kontakt mit den beiden sich verbindenden Metallteilen in einer Buckelschweißvorrichtung befindet und zeigt einen Zustand der Ausübung eines Drucks auch in Richtung des abnehmenden Durchmessers eines Ventilsitzes als erstes Metallteil.
19 ist eine Schnittansicht, die der von 3 ähnlich ist, und einen Ventilsitz zeigt.
20 ist eine Ansicht, die zwei Elektroden zeigt, welche die entsprechenden Ventilsitze auf den Zylinderkopf pressen und eine elektrische Reihenschaltung, die auf die beiden Elektroden beim Verbinden mittels einer Schweißvorrichtung angewandt wird.
21 ist eine Schnittansicht eines Motorkolbens als Metallelement, das verbunden werden soll.
22 ist eine Schnittansicht des Motorzylinderblocks als Metallelement, das gemäß Ausführungsform 6 verbunden werden soll.
23 ist eine Schnittansicht einer oberen Elektrode, die sich in Kontakt mit den beiden sich verbindenden Metallteilen in einer Buckelschweißvorrichtung befindet und zeigt den Zustand eines Ventilsitzes und eines Zylinderkopfkörpers, die erfindungsgemäß verbunden werden.
24 ist eine Schnittansicht, die der von 23 ähnlich ist, und den Zustand einer zweiten Verbindungsfläche des Ventilsitzes und der Verbindungsfläche des Zylinderkopfkörpers zeigt, die miteinander in Oberflächenkontakt gebracht worden sind.
25 ist eine Schnittansicht, die der von 23 ähnlich ist, die den Zustand einer dritten Verbindungsfläche des Ventilsitzes und die Verbindungsfläche des Zylinderkopfkörpers zeigt, die miteinander in Oberflächenkontakt gebracht worden sind.
26 ist eine Schnittansicht, die der von 23 ähnlich ist, die den Zustand einer zweiten Verbindungsfläche des Ventilsitzes, bei dem die dritte Verbindungsfläche ausgebildet ist, und die Verbindungsfläche des Zylinderkopfkörpers zeigt, die miteinander in Oberflächenkontakt gebracht worden sind.
27 ist eine Schnittansicht, die der von 23 ähnlich ist, die insbesondere einen weiteren Mechanismus des Abkühlens einen oberen Elektrode der Schweißvorrichtung zeigt.
28 zeigt eine Schnittansicht, die einen Prüfkörper zeigt, der in den Beispielen zum Verbinden verwendet worden ist.
29 zeigt eine Schnittansicht eines Ventilsitzes, der einen dünnen Ring aufweist.
30 zeigt eine Schnittansicht eines Ventilsitzes, der einen dicken Ring aufweist.
31 ist eine schematische Schnittansicht eines Prüfkörpers eines verbundenen Elements, die das Verfahren des Ablösebelastungsmesstests zeigt.
32 ist ein Graph, der die Ablösebelastungsdaten zeigt, die bei den Ventilsitzen der Beispiele 1 bis 5 und bei einer herkömmlichen Verbindung gemessen worden sind.
33 ist eine Mikrophotographie, welche die Oberfläche des Ventilsitzes unmittelbar nach dem Anwenden einer Ultraschallplattierung zeigt.
34 ist eine Mikrophotographie, die den Bereich des Ventilsitzes und den Prüfkörper zeigen, die im Grundbeispiel 2 verbunden worden sind.
35 ist eine Mikrophotographie, welche die Ventilsitzoberfläche unmittelbar nach dem Ablösebelastungsmesstest zeigt.
36 ist eine Mikrophotographie, die den Bereich des Ventilsitzes und den Prüfkörper zeigen, die im Grundbeispiel 5 verbunden worden sind.
37 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Druck, der beim Verbinden ausgeübt worden ist, und der Ablösebelastung zeigt.
38 ist ein Graph, der die Änderungen der Härte mit dem Abstand von der verbundenen Oberfläche des Prüfkörpers zeigt.
39 ist ein Graph, der die Änderungen der Härte vor und nach dem Verbinden des Ventilsitzes bei einer kontinuierlichen Zuführung eines Stroms und eines gepulsten Stroms zeigt.
40 ist ein Graph, der die Änderung der Härte mit dem Abstand von der verbundenen Oberfläche des Prüfkörpers bei einer kontinuierlichen Zuführung eines Stroms und eines Pulsstroms zeigt.
41 ist ein Graph, der die Ergebnisse des Ablösebelastungmesstests bei einer kontinuierlichen Zuführung eines Stroms und eines Pulsstroms zeigt.
42 ist ein Diagramm, das die Tiefe y des Einbettens in dem Setzungsmesstest zeigt.
43 ist ein Graph, der die Änderung der Tiefe y, in der eingebettet wird, im Zeitverlauf nach dem Beginn des Ausübens eines Drucks zeigt.
44 ist ein Graph, der die Änderungen der Härte mit dem Abstand von der verbundenen Oberfläche des Prüfkörpers bei dem sintergeschmiedeten Ventilsitz und dem tränkgesinterten Ventilsitz zeigt.
45 ist eine Mikrographie, die den Bereich des Ventilsitzes, der mit Sinterschmieden hergestellt worden ist, und den Prüfkörper zeigt, die verbunden sind.
46 ist eine Mikrographie, die den Zustand des Ventilsitzes, der mit Sinterschmieden hergestellt worden ist, und den Prüfkörper, die verbunden sind, in einer weiter vergrößerten Ansicht zeigt.
47 ist eine Schnittansicht, die den in Beispiel 1 verwendeten Ventilsitz zeigt.
48 ist eine Schnittansicht, die den in Beispiel 2 verwendeten Ventilsitz zeigt.
49 ist eine partielle Schnittansicht, die eine Ecke der Öffnung des Prüfkörpers zeigt, der im Beispiel beim Verbinden verwendet worden ist.
50 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Temperatur und der Härte in den Ventilsitzen des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1, 2 und 4 zeigt.
51 ist ein Graph, der die Ergebnisse des Ablösebelastungsmesstests zeigt, die mit den Ventilsitzen des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 durchgeführt worden sind.
52 ist eine Mikrophotographie, die den Bereich des Ventilsitzes in Beispiel 1 nach dem Verbinden zeigt.
53 ist ein Graph, der die Ergebnisse des Ablösebelastungsmesstests im Fall eines linearen Kontakts und eines Oberflächenkontakts in den Beispielen 1 und 2 zeigt.
54 ist ein Graph, der die Ergebnisse des Härtemesstests, der mit den Ventilsitzen durchgeführt worden ist, im Fall eines linearen Kontakts und eines Oberflächenkontakts in den Beispielen 1 und 2 zeigt.
55 ist ein Graph, der die Änderung der Härte mit dem Abstand von der verbundenen Fläche des Prüfkörpers im Fall eines linearen Kontakts und eines Oberflächenkontakts in den Beispielen 1 und 2 zeigt.
56 ist eine Mikrophotographie, die den Zustand zeigt, bei dem der Ventilsitz und der Prüfkörper, die in Beispiel 2 in einen Oberflächenkontakt gebracht worden sind, verbunden sind.
57 ist eine Mikrophotographie, die den Schnittzustand der Verbindung des Ventilsitzes und des Prüfkörpers zeigt, die in Beispiel 2 in einen linearen Kontakt gebracht worden sind.
58 ist eine Mikrophotographie, die den Zustand zeigt, bei dem der Ventilsitz und der Prüfkörper ohne abgeschrägten Bereich, die in Beispiel 2 in einen linearen Kontakt gebracht worden sind, verbunden sind.
Nachstehend werden die Ausführungsformen 1 bis 6, die nicht vom Schutzbereich der Ansprüche umfasst sind, und erfindungsgemäße Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
1 zeigt einen Bereich eines Zylinderkopfs 1 eines Motors als verbundenes Metallteil in der Ausführungsform 1. Der Zylinderkopf 1 umfasst einen Zylinderkopfkörper 2 als zweites Metallteil und im Wesentlichen ringförmige Ventilsitze 3, 3, ... (erstes Metallteil) die, wie es später beschrieben ist, auf den Umfängen von Öffnungen von vier Lufteinlass- und -auslassöffnungen 2b, 2b, ..., verbunden sind, wo die Ventile damit in Kontakt treten. Die Umfänge der Öffnungen 2b weisen von unterhalb des Zylinderkopfs 1 her betrachtet im Wesentlichen eine quadratische Konfiguration auf und die Umfänge der Öffnungen sind als verbindende Oberflächen 2a den Ventilsitzen 3 zugeordnet.
Eine innere Umfangsfläche des Ventilsitzes 3 dient als Ventilkontaktoberfläche 3c und ist in einer Kegelkonfiguration ausgebildet, da der Durchmesser entlang der Ventiloberseitenfläche nach oben hin abnimmt. Eine äußere Umfangsfläche des Ventilsitzes 3 dient als erste Verbindungsfläche 3a mit dem Zylinderkopfkörper 2, ist von der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 umgeben und in einer Kegelkonfiguration entsprechend der inneren Umfangsoberfläche ausgebildet. Die obere Fläche des Ventilsitzes 3 dient als zweite Verbindungsfläche 3b mit dem Zylinderkopfkörper 2 und ist in Richtung der Oberseite nach innen geneigt.
Der Ventilsitz 3 ist ein gesintertes Material, das aus einem Material auf Fe-Basis hergestellt ist, das mit einem Material auf Cu-Basis als Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit getränkt ist, das in dessen Poren eindringt. Auf der ersten und der zweiten Verbindungsfläche 3a, 3b des Ventilsitzes 3 mit dem Zylinderkopfkörper 2 ist eine diffusionsverbundene Schicht 5 (Diffusionsschicht) des Ventilsitzes 3 und des Hartlötmaterials ausgebildet, bei dem es sich um eine eutektische Zn-Al-Legierung handelt (eine eutektische Struktur, die etwa 95 Gew.-% der Zn-Komponente und etwa 5 Gew.-% der Al-Komponente (Komponente des Zylinderkopfkörpers 2, der später beschrieben wird) umfasst). Mit anderen Worten: Die diffusionsverbundene Schicht 5 ist aus einer Fe-Zn-Legierung hergestellt, die durch Diffundierenlassen der Zn-Komponente des Hartlötmaterials in den Ventilsitz 3 gebildet wird.
Andererseits ist der Zylinderkopfkörper 2 aus einem Material auf Al-Basis hergestellt und eine geschmolzene Reaktionsschicht 6 (Diffusionsschicht) des Hartlötmaterials und des Zylinderkopfkörpers 2 ist auf der Verbindungsfläche des Zylinderkopfkörpers 2 und des Ventilsitzes 3 ausgebildet. Die geschmolzene Reaktionsschicht 6 ist aus Al-Zn hergestellt, das durch Flüssigphasendiffusion der Zn-Komponente des Hartlötmaterials in geschmolzenem Zustand in den Zylinderkopfkörper 2 gebildet wird. Das Hartlötmaterial hat einen Schmelzpunkt, der niedriger ist als der Schmelzpunkt des Ventilsitzes 3 und des Zylinderkopfkörpers 2.
Der Ventilsitz 3 und der Zylinderkopfkörper 2 werden im Zustand der Flüssigphasendiffusion über die diffusionsverbundene Schicht 5 und die geschmolzene Reaktionsschicht 6 verbun den, während die diffusionsverbundene Schicht 5 und die geschmolzene Reaktionsschicht 6 in einer Gesamttiefe von nicht mehr als 1,0 μm ausgebildet werden. Während eine Schicht 7 des Hartlötmaterials zwischen der diffusionsverbundenen Schicht 5 und der geschmolzenen Reaktionsschicht 6 ausgebildet wird, ist in 2 die Hartlötmaterialschicht 7 extrem dünn und im Wesentlichen vernachlässigbar.
Nachstehend wird ein Verfahren zur Herstellung des Zylinderkopfs 1 beschrieben, der die beschriebene Konfiguration aufweist, und zwar durch Verbinden der Ventilsitze 3 mit den Umfängen der Öffnungen (Verbindungsflächen 2a) der Öffnungen 2b des Zylinderkopfkörpers 2 (in der nachstehenden Beschreibung des Herstellungsverfahrens ist die vertikale Positionsbeziehung zwischen dem Zylinderkopfkörper 2 und dem Ventilsitz 3 umgekehrt).
Als erstes wird der Ventilsitz 3 durch Sintern eines Pulvers des Materials auf Fe-Basis hergestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ventilsitz 3 so ausgebildet, dass die Wanddicke auf der inneren Umfangsseite und in dem oberen Bereich größer ist (in 1), so dass er dem Druck widersteht, der ausgeübt wird, wenn der Ventilsitz 3 und der Zylinderkopfkörper 2 verbunden werden. Bei dieser Stufe wird die Ventilkontaktoberfläche 3c nicht ausgebildet, während die innere Umfangsfläche so ausgebildet wird, dass sie sich gerade nach oben erstreckt und die obere Fläche so ausgebildet wird, dass sie im Wesentlichen horizontal ist. Die erste Verbindungsfläche 3a bezüglich des Zylinderkopfkörpers 2 ist so ausgebildet, dass sie einen Verjüngungswinkel (θ1 von 3) von etwa 0,52 rad (30°) aufweist und die zweite Verbindungsfläche 3b ist so ausgebildet, dass sie einen Neigungswinkel (θ2 von 3) von etwa 0,26 rad (15°) aufweist. Wenn der Verjüngungswinkel θ1 der ersten Verbindungsfläche 3a zu klein ist, dann kann der Ventilsitz 3 leicht in den Zylinderkopfkörper 2 eingesetzt werden, jedoch wird die Wirkung zur Zerstörung des Oxidfilms auf der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 geringer. Wenn andererseits der Verjüngungswinkel θ1 zu groß ist, dann wird es schwierig, den Ventilsitz 3 in den Zylinderkopfkörper 2 einzusetzen und der äußerste Durchmesser des Ventilsitzes 3 wird zu groß, so dass die beiden Öffnungen 2b, 2b näher zusammengebracht werden. Folglich wird der Verjüngungswinkel auf etwa 0,52 rad (30°) eingestellt.
Nach der Herstellung eines Rings durch Sintern des Materialpulvers auf Cu-Basis, wobei der Ring im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweist wie der Ventilsitz 3, wird der gesinterte Ventilsitz 3 mit dem darauf platzierten Ring in einen Heizofen eingebracht, wodurch das Material auf Cu-Basis in den Ventilsitz 3 eindringt. Anschließend wird der Ventilsitz 3 mit einer Cu-Plattierung (etwa 2 μm dick) über dessen gesamter Oberfläche beschichtet, ein schließlich der ersten und der zweiten Verbindungsfläche 3a, 3b, um die Bildung eines Oxidfilms zu verhindern.
Anschließend wird, wie es schematisch in 5(a) gezeigt ist, die Hartlötmaterialschicht 7 mittels der diffusionsverbundenen Schicht 5 auf der ersten und der zweiten Verbindungsfläche 3a, 3b des Ventilsitzes 3 ausgebildet. Zur Ausbildung der Hartlötmaterialschicht 7 und der diffusionsverbundenen Schicht 5 auf dem Ventilsitz 3, wird die in ein Hartlötmaterialbad eingetauchte Oberfläche des Ventilsitzes 3 einer Ultraschallvibration unterworfen, um dadurch die Oberfläche mit dem Hartlötmaterial zu beschichten (Ultraschallplattieren). Insbesondere ist, wie es in 6 gezeigt ist, ein Ende einer Vibrationsplatte 11 an einem Ultraschalloszillator 12 befestigt und der Ventilsitz 3, der auf der oberen Fläche des anderen Endes der Vibrationsplatte 11 platziert ist, wird in das Hartlötmaterialbad 14 eingetaucht, das in einem Gefäß mit Boden 13 platziert ist. Wenn die Ultraschallvibration von dem Ultraschalloszillator 12 mittels der Vibrationsplatte 11 in diesem Zustand auf den Ventilsitz 3 übertragen wird, dann werden die Cu-Plattierungsschicht und der geringfügig ausgebildete Oxidfilm auf der Oberfläche des Ventilsitzes 3 durch den Kavitationseffekt der Ultraschallwelle zerstört, wodurch die Zn-Komponente des Hartlötmaterials zur Diffusion in den Ventilsitz 3 und zur Bildung der aus Fe-Zn ausgebildeten diffusionsverbundenen Schicht 5 veranlasst wird, während die Hartlötmaterialschicht 7 auf der vorderen Fläche der diffusionsverbundenen Schicht 5 ausgebildet wird. Mit diesem Verfahren kann die diffusionsverbundene Schicht 5 leichter und sicherer ausgebildet werden als mit dem Verfahren, bei dem eine mechanische Reibung durch Reiben des Hartlötmaterials gegen den Ventilsitz 3 eingesetzt wird. Die Verfahrensparameter des Ultraschallplattierens können z. B. auf eine Hartlötmaterialbadtemperatur von 400°C, eine Ultraschallausgangsleistung von 400 W und eine Dauer der Ultraschallvibration von 20 s eingestellt werden. Auf der Oberfläche des Ventilsitzes 3 kann auch eine geschmolzene Plattierungsschicht, die der diffusionsverbundenen Schicht 5 ähnlich ist, durch Erhitzen desselben in einer reduzierenden Atmosphäre ausgebildet werden.
Anschließend wird der Ventilsitz 3 mit dem Umfang der Öffnung 2b des Zylinderkopfkörpers 2 verbunden, der im Vorhinein durch Gießen oder ein anderes Verfahren hergestellt worden ist, und zwar mit der Verbindungsfläche 2a mit dem Ventilsitz 3. Zu diesem Zeitpunkt weist die Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 einen Verjüngungswinkel von etwa 0,79 rad (45°) auf, wie es in 4A gezeigt ist, und zwar anders als bei der Vervollständigung der Verbindung (gleiche Form wie bei der ersten und der zweiten Verbindungsfläche 3a, 3b des Ventilsitzes 3).
Der Ventilsitz 3 wird mit der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 unter Verwendung einer Schweißvorrichtung 20 verbunden, bei der es sich um eine verbesserte Version eines käuflichen Buckelschweißgeräts handelt, das in 7 gezeigt ist. Die Schweißvorrichtung 20 weist im Wesentlichen einen C-förmigen Rahmen 21 mit einem oberen und einem unteren horizontalen Arm 21a, 21b des Rahmens 21 auf, wobei es sich um Ausleger handelt, die nur auf einer Seite durch einen vertikalen Bereich 21c gehalten sind, und wobei die andere Seite, die dem vertikalen Bereich 21c gegenüberliegt, offen ist. Ein Druckzylinder 22 ist unterhalb des oberen horizontalen Arms 21a des Rahmens 21 platziert. Der Druckzylinder 22 trägt an dessen Boden eine obere Elektrode 24, die aus Cu in einer im Wesentlichen zylindrischen Form hergestellt und auf einer Zylinderstange 23 des Druckzylinders 22 montiert ist und vertikal auf einer mit der Zylinderstange 23 gemeinsamen Achse bewegt werden kann. Auf dem unteren horizontalen Arm 21b ist eine aus Cu hergestellte untere Elektrode 25 mittels einer bewegbaren Basis 27 so bereitgestellt, dass sie der oberen Elektrode 24 gegenüberliegt. Die untere Elektrode 25 kann auf einer geneigten Oberfläche den darauf platzierten Zylinderkopfkörper 2 tragen, wobei dessen Verbindungsfläche 2a nach oben gerichtet ist. Die horizontale Position der bewegbaren Basis 27 bezüglich des unteren horizontalen Arms 21b und die obere Fläche der unteren Elektrode 25 können so hergestellt werden, dass die Mittellinie der Verbindungsfläche 2a, mit welcher der Ventilsitz 3 verbunden werden soll, in der vertikalen Richtung ausgerichtet ist und etwa der Mittellinie der oberen Elektrode 24 entspricht.
Die obere und die untere Elektrode 24, 25 bilden ein Paar von Druckköpfen und sind mit einer Schweißenergiequelle 26 verbunden, die in dem vertikalen Bereich 21c des Rahmens 21 untergebracht ist. Wenn die obere Elektrode 24 mit der oberen Fläche des Ventilsitzes 3 unter Bedingungen in Kontakt gebracht wird, bei denen der Ventilsitz 3 auf der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 platziert ist, der auf der oberen Fläche der unteren Elektrode 25 montiert ist, und die Schweißenergiequelle 26 eingeschaltet wird, während auf den Ventilsitz 3 und den Zylinderkopfkörper 2 mit dem Druckzylinder 22 ein Druck ausgeübt wird, fließt ein Strom durch den Ventilsitz 3 zu dem Zylinderkopfkörper 2. Eine Ausnehmung 28 ist als nichtleitender Bereich an der Bodenfläche der oberen Elektrode 24 ausgebildet, die einen Kontakt mit der oberen Fläche des Ventilsitzes 3 herstellen soll. Die Ausnehmung ist auf die gegenüberliegende Seite des vertikalen Bereichs 21c des Rahmens 21 gerichtet (d. h. auf der offenen Seite des Rahmens 21), wie es vergrößert in den 8A und 8B gezeigt ist.
Nach dem Platzieren des Zylinderkopfkörpers 2 auf der oberen Fläche der unteren Elektrode 25 der Schweißvorrichtung 20 und Einstellen der horizontalen Position der bewegbaren Basis 26 und der Neigung der oberen Fläche der unteren Elektrode 24, so dass die Mitteilinie der Verbindungsfläche 2a, bei welcher der Ventilsitz 3 verbunden wird, im Wesentlichen der oberen Elektrode 24 entspricht, wird der Ventilsitz 3 auf der Verbindungsfläche 2a platziert. Zu diesem Zeitpunkt sind nur die Ecken der ersten und der zweiten Verbindungsfläche 3a, 3b des Ventilsitzes 3 in Kontakt mit der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2, wie es in 4A gezeigt ist. D. h., der Ventilsitz 3 und der Zylinderkopfkörper 2 stehen miteinander in einem linearen Kontakt.
Anschließend wird, wie es in 4B gezeigt ist, der Druckzylinder 22 betätigt, so dass er die obere Elektrode 24 nach unten in Kontakt mit der oberen Fläche des Ventilsitzes 3 bewegt und ausgehend von diesem Zustand wird das Beaufschlagen des Ventilsitzes 3 und des Zylinderkopfkörpers 2 mit Druck begonnen. Der Druck beträgt vorzugsweise etwa 29429 N (3000 kgf). Während dieser Druck aufrechterhalten wird, wird die Schweißenergiequelle 26 etwa 1,5 s nach dem Beginn des Beaufschlagens mit Druck eingeschaltet, um die Hartlötmaterialschicht 7 durch Widerstandsheizen mit elektrischem Strom auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Hartlötmaterials zu erhitzen. Der Strom beträgt vorzugsweise etwa 70 kA.
Das Hartlötmaterial, bei dem es sich um eine eutektische Legierung handelt, die etwa 95 Gew.-% Zn und etwa 5 Gew.-% Al umfasst, hat einen niedrigen Schmelzpunkt von etwa 380°C, wie es in 11 gezeigt ist, und schmilzt unmittelbar nach dem Durchleiten des Stroms. Die Widerstandsheizung erweicht die Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2, so dass die Ecken der ersten Verbindungsfläche 3a und der zweiten Verbindungsfläche 3b des Ventilsitzes 3 durch ein plastisches Fließen derselben in der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 fixiert werden, wodurch der Ventilsitz 3 in dem Zylinderkopfkörper 2 befestigt wird. Bei diesem Verfahren wird der Oxidfilm auf der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 sicher zerstört, während die Zn-Komponente des geschmolzenen Hartlötmaterials in flüssiger Phase in den Zylinderkopfkörper 2 diffundiert, wobei die aus Al-Zn gebildete geschmolzene Reaktionsschicht 6 gebildet wird (vgl. 5B).
Gleichzeitig wird nahezu das gesamte Hartlötmaterial in der Hartlötmaterialschicht 7 durch Beaufschlagen der ersten Verbindungsfläche 3a und der zweiten Verbindungsfläche 3b des Ventilsitzes 3 und der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 mit Druck herausgepresst, so dass es zusammen mit dem Oxidfilm und Verunreinigungen entfernt wird. Folglich werden die diffusionsverbundene Schicht 5 und die geschmolzene Reaktionsschicht 6 ohne die dazwischen angeordnete Hartlötmaterialschicht 7 direkt miteinander verbunden, wobei die Diffusion zwischen den beiden Schichten 5, 6 beschleunigt wird. Darüber hinaus ermöglicht es das dazwischenliegende Anordnen der Schichten 5, 6, die Bildung einer spröden intermetallischen Verbindung von Fe-Al zu verhindern. Folglich werden der Ventilsitz 3 und der Zylinderkopfkörper 2 in einem Flüssigphasendiffusionszustand, bei dem die diffusionsverbundene Schicht 5 und die geschmolzene Reaktionsschicht 6, die dazwischen angeordnet sind, mit einer sehr hohen Verbindungsfestigkeit verbunden. Der Zn-Gehalt in dem Hartlötmaterial nimmt aufgrund der Diffusion ab, was zu einer Zunahme des Schmelzpunkts auf 500°C oder höher führt (vgl. 11). Folglich kann nach dem Verbinden eine Wärmebeständigkeit erreicht werden, die höher ist als diejenige des ursprünglichen Hartlötmaterials.
Da darüber hinaus das Material auf Cu-Basis mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, das in den Ventilsitz 3 eindringt, die Poren füllt, die während des Sinterverfahrens erzeugt worden sind, wird kein Teil des Drucks für das Zerstören der Poren verbraucht. Folglich wird der gesamte Druck zum Bewirken des plastischen Fließens der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 und zum Herauspressen des Hartlötmaterials effektiv verwendet, während eine Wärmeerzeugung in dem Ventilsitz 3 beim Durchleiten eines Stroms verhindert und das Hartlötmaterial effektiv geschmolzen wird.
Da der obere und der untere horizontale Arm 21a, 21b des Rahmens 21 in einer Auslegerkonfiguration ausgebildet sind, bei welcher der Druck auf der Öffnungsseite des Rahmens 21 aufgrund des Biegens des oberen und des unteren horizontalen Arms 21a, 21b niedriger wird und demgemäß der Kontaktwiderstand des Bereichs der Verbindungsflächen 2a, 3a, 3b, welcher der Öffnung des Rahmens 21 entspricht, höher wird, führt dies zu einer überschüssigen Wärme, die in der Öffnung erzeugt wird, was zu einem lokalen Schmelzen des Zylinderkopfkörpers 2 führen kann, wodurch eine Lücke von dem Ventilsitz 3 erzeugt wird. Dies kann durch Ausbilden der Ausnehmungen 28 in der Bodenfläche der oberen Elektrode 24 auf der Öfnungsseite des Rahmens 21 verhindert werden. In diesem Fall fließt weniger Strom in den Bereich des Ventilsitzes 3 und des Zylinderkopfkörpers 2, welcher der Öffnung des Rahmens entspricht. Demgemäß treten die Schwierigkeiten nicht auf, dass der Bereich des Zylinderkopfkörpers 2, welcher der Öffnung des Rahmens 21 entspricht, einem lokalen Schmelzen unterliegt, wodurch eine Lücke zu dem Ventilsitz 3 erzeugt wird. Da sich die Mittellinien der Zylinderstange 23 des Druckzylinders 22 und der oberen Elektrode 24 entsprechen, variiert auch der Druck über die obere Elektrode 24 weniger und die obere Elektrode 24 erfährt eine geringere Positionsdifferenz in der horizontalen Richtung, wobei eine kleinere Ausnehmung 28 erforderlich ist als bei einem Gerät, bei dem die Zylinderstange 23 und die obere Elektrode 24 Mittellinien aufweisen, die einander nicht entsprechen. Es kann auch verhindert werden, dass die Mitte des Ventilsitzes 3 bezüglich der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 verschoben wird. Die Ausnehmung 28 kann auch durch ein isolieren des Teil ersetzt werden, das an der unteren Fläche der oberen Elektrode 24 befestigt ist und ein lokales Schmelzen des Zylinderkopfkörpers 2 verhindert.
Zum Zeitpunkt des Abschaltens der Schweißenergiequelle 26, um den Strom nach 1,5 bis 2,5 Sekunden nach dem Beginn des Durchleitens des Stroms abzuschalten, ist der Ventilsitz 3 vollständig in der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 eingebettet (vgl. 4C). Der Druck wird auch nach dem Abschalten des Stroms noch einwirken gelassen, wie es in 9 gezeigt ist. Der Druck wird aufrechterhalten, bis die geschmolzene Reaktionsschicht 6 nahezu vollständig abgekühlt und verfestigt ist, und verhindert dann die Trennung der Verbindungsflächen 2a, 3a, 3b oder Risse in den Verbindungsflächen 2a, 3a, 3b aufgrund der unterschiedlichen Effizienz der Wärmeausdehnung zwischen dem Ventilsitz 3 und dem Zylinderkopfkörper 2.
Es ist bevorzugt, dass der Druck im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Abschalten des Stroms verringert wird, wie es in 10 gezeigt ist. Da ein hoher Druck die Möglichkeit der Entwicklung von Rissen in den Verbindungsflächen 2a, 3a, 3b unmittelbar nach der Verfestigung erhöht, da das Verformungsvermögen der verbundenen Grenzflächen abnimmt, kann der Druck auf ein Maß vermindert werden, so dass die Schrumpfverformung aufgenommen wird, wodurch ein Reißen in den Verbindungsflächen 2a, 3a, 3b aufgrund einer großen Belastung nach der Verfestigung sicher verhindert wird.
Etwa 1,5 Sekunden nach dem Abschalten des Stroms wird der Druck aufgehoben und dadurch wird das Verbinden des Ventilsitzes 3 und des Zylinderkopfkörpers 2 vervollständigt. Das gleiche Verfahren wird wiederholt, um andere Ventilsitze 3 mit den verbleibenden Verbindungsflächen 2a des Zylinderkopfkörpers 2 zu verbinden.
Als letztes werden die innere Umfangsfläche und die obere Fläche jedes Ventilsitzes 3 durch spanabhebendes Bearbeiten in eine spezifische Gestalt gebracht, die zur Bildung der Ventilkontaktfläche 3c erforderlich ist. Dies vervollständigt den Zylinderkopf 1, der die Ventilsitze 3 aufweist, die mit den Umfängen der Öffnungen 2b des Zylinderkopfkörpers 2 verbunden sind.
Daher kann gemäß der Ausführungsform 1 der Zylinderkopf mit einer sehr hohen Verbindungsfestigkeit und Wärmebeständigkeit, die höher sind als diejenigen des ursprünglichen Hartlötmaterials, in einem kürzeren Zeitraum hergestellt werden, da der Ventilsitz 3 und der Zylinderkopfkörper 2 in einem Flüssigphasendiffusionszustand mittels der Wärme, die durch elektrischen Strom und Druck erzeugt wird, verbunden werden, wobei die diffusionsverbundene Schicht 5 und die geschmolzene Reaktionsschicht 6 dazwischen angeordnet sind. Auch dadurch, dass lediglich der Druck und die Stromamplitude auf Werte eingestellt werden, die es ermöglichen, das Hartlötmaterial zu schmelzen und zu entfernen, kann in einem weiten Bereich von Betriebsparametern eine hohe Verbindungsfestigkeit erreicht werden. Darüber hinaus ermöglicht es dieses Verfahren, den Ventilsitz 3 viel kleiner zu machen, als dies mit dem Schrumpfeinpassungsverbindungsverfahren möglich ist, und daher kann der Abstand zwischen den Öffnungen 2b, 2b vermindert oder der Öffnungsdurchmesser erhöht werden. Da ferner die Wärmeleitfähigkeit in der Nähe des Ventils verbessert werden kann, wobei keine Wärmeisolierschicht erzeugt wird, und ein Kühlwasserdurchgang, der zwischen den Öffnungen 2b, 2b bereitgestellt ist, näher an den Ventilsitz gebracht werden kann, kann die Temperatur in der Nähe des Ventils effektiv vermindert werden. Darüber hinaus kann selbst dann, wenn eine Glühkerze oder eine Einspritzvorrichtung zwischen den Öffnungen 2b, 2b installiert wird, zwischen diesen eine ausreichende Wanddicke sichergestellt werden. Folglich können die Motorleistung, die Zuverlässigkeit und die Gestaltungsfreiheit verbessert werden.
Während in der Ausführungsform 1 der Ventilsitz 3 durch Sintern und anschließend Tränken mit einem Material auf Cu-Basis hergestellt wird, kann Tränken nicht erforderlich sein, solange der Ventilsitz 3 einen bestimmten Dichtegrad aufweist. Wenn der Ventilsitz 3 durch Sinterschmieden hergestellt wird, was durch Schmieden eines Sinterkörpers durchgeführt wird, können Poren in dem Ventilsitz 3 wie beim Tränken ausgeschlossen werden und daher kann das Hartlötmaterial effektiv abgegeben werden.
Während ein Strom zwischen dem Ventilsitz 3 und dem Zylinderkopfkörper 2 durchgeleitet wird, um die Hartlötmaterialschicht 7 durch Widerstandsheizen auf eine Temperatur zu erhitzen, die höher ist als der Schmelzpunkt des Hartlötmaterials, wodurch das Hartlötmaterial in der Ausführungsform 7 geschmolzen wird, kann das Hartlötmaterial auch durch lokales Erhitzen durch Induktionsheizen oder dergleichen geschmolzen werden.
Ausführungsform 2
12 zeigt ein Diagramm der Strom-Druck-Steuerung in der Ausführungsform 2, bei dem sich das Stromsteuerungsverfahren beim Verbinden des Ventilsitzes 3 mit dem Zylinderkopfkörper 2 von dem in der Ausführungsform 1 unterscheidet.
In dieser Ausführungsform werden anstelle des kontinuierlichen Durchleitens eines konstanten Stroms Strompulse mit großen und kleinen Amplituden wiederholt zugeführt. Die höhere Amplitude wird auf einen konstanten Pegel von etwa 70 kA gesetzt und der niedrigere Pegel wird auf Null gesetzt. Die Dauer des Pulses beträgt 0,25 bis 1 s, wobei das Intervall zwischen Pulsen 0,1 bis 0,5 s beträgt. Vorzugsweise werden 3 bis 9 Pulse zugeführt (in 12 sind 4 Pulse gezeigt). Die Periode vom Beginn des Ausübens eines Drucks bis zum Beginn des Zuführens des ersten Strompulses und die Periode vom Ende des letzten Pulses bis zum Ende des Ausübens eines Drucks betragen 1,5 s, wobei es sich um den gleichen Wert wie in der Ausführungsform 1 handelt.
Eine Änderung der Temperatur des Ventilsitzes 3 bei der Zuführung eines gepulsten Stroms ist in der 13 gezeigt. Da der aus einem Material auf Fe-Basis hergestellte Ventilsitz 3 eine ziemlich niedrige Wärmekapazität aufweist, unterliegt der Ventilsitz 3 aufgrund des Widerstandsheizens einer schnellen Temperaturzunahme. Insbesondere im Mittelbereich in der vertikalen Richtung ist es schwieriger, die Wärme zu verteilen als dies im oberen und unteren Bereich der Fall ist, bei denen die Wärme leicht zu der oberen Elektrode 24 und dem Zylinderkopfkörper 2 verteilt wird, und der Kontaktwiderstand zwischen dem Ventilsitz 3 und dem Zylinderkopfkörper 2 ist hoch, und daher ist das Ausmaß des Widerstandsheizens höher und die Temperatur des Mittelbereichs des Ventilsitzes 3 in der vertikalen Richtung steigt über den Umwandlungspunkt von Al, nachdem der erste Puls abgeschaltet worden ist. Da der Ventilsitz 3 zu diesem Zeitpunkt nahezu vollständig in den Zylinderkopfkörper 2 eingebettet ist, kann der Strom vollständig abgeschaltet werden. Dies führt jedoch dazu, dass der Ventilsitz 3 schnell von der Temperatur über dem Umwandlungspunkt abgekühlt wird, wodurch ein Härten des Mittelbereichs in der vertikalen Richtung verursacht wird, was zu einer erhöhten Härte führt.
Daher wird ein zweiter Puls zugeführt, wenn die Temperatur etwas absinkt. Zu diesem Zeitpunkt nimmt anders als bei der Periode des ersten Pulses der Kontaktwiderstand aufgrund der metallurgischen Verbindung ab, was zu einer geringeren Widerstandswärmeerzeugung führt, während die Wärme verteilt wird. Folglich führt die gleiche Stromamplitude wie bei dem ersten Puls zu keinem so großen Temperaturanstieg. Wenn dies wiederholt wird, sinkt die Temperatur nach und nach ab und daher nimmt die Härte des Ventilsitzes 3 kaum zu.
Gemäß der Ausführungsform 1 nimmt die Härte des Ventilsitzes 3 nicht signifikant zu, da der Mittelbereich des Ventilsitzes 3 in der vertikalen Richtung durch die Zuführung des gepulsten Stroms nach und nach abgesenkt wird, wodurch die innere Umfangsfläche davor bewahrt wird, für eine spanabhebende Bearbeitung zu hart zu werden. Auch die Ventilkontaktfläche 3c wird effektiv davor bewahrt, zu hart zu werden und die Wahrscheinlichkeit eines Verschleißes des Ventils zu erhöhen.
Obwohl in der Ausführungsform 1 die Strompulse mit konstanter Amplitude mit einem dazwischenliegenden Intervall mit einem Strom von Null zugeführt werden, ist diese nicht auf dieses Schema beschränkt. Beispielsweise kann die Amplitude des Pulsstroms schrittweise vermindert werden, wie es in 14A gezeigt ist, oder es können große Pulse und kleine Pulse verwendet werden, wie es in 14B gezeigt ist. Alternativ kann nach einem ersten großen Strompuls und einem kleinen Strompuls kontinuierlich Strom zugeführt werden, wobei die Amplitude mit der Zeit abnimmt, wie es in 14C gezeigt ist. Mit anderen Worten: Nach dem ersten Strompuls kann eine beliebige Form der Stromzuführung erfolgen, so lange die Temperatur des Ventilsitzes 3 nach und nach vermindert werden kann.
Um die Wärmeverteilung von dem Ventilsitz 3 zu der oberen Elektrode 24 zu verbessern, wird vorzugsweise Kühlwasser durch die obere Elektrode 24 geschickt, um diese mit Wasser zu kühlen. Es kann auch ein zylindrischer Vorsprung 31 unter der oberen Elektrode so bereitgestellt werden, dass er der Innenfläche des Ventilsitzes 3 gegenüberliegt, wie es in 15 gezeigt ist, wodurch Kühlwasser auf die Innenfläche des Ventilsitzes 3 vom Inneren der oberen Elektrode 24 durch eine Mehrzahl von Düsen 32 und 32 gesprüht wird, die in gleichen Abständen um den Vorsprung 31 angeordnet sind. Diese Konfiguration ermöglicht die effektive Kühlung des Mittelbereichs des Ventilsitzes 3 in der vertikalen Richtung, wodurch verhindert wird, dass der Ventilsitz 3 über den Umwandlungspunkt von Al hinaus überhitzt wird.
Ausführungsform 3
Gemäß 16 unterscheidet sich in der Ausführungsform 3 das Stromsteuerungsverfahren bei der Verbindung des Ventilsitzes 3 und des Zylinderkopfkörpers 2 von demjenigen der Ausführungsformen 1 und 2. In dieser Ausführungsform hat die Schweißvorrichtung 20 einen Begrenzungsschalter (nicht gezeigt) als Ventilsitz-Detektionsmittel, das die vertikale Position des Ventilsitzes 3 erfasst, wobei der Begrenzungsschalter aktiviert wird, wenn der Ventilsitz 3 nahezu vollständig in dem Zylinderkopfkörper 2 eingebettet ist. Wenn der Begrenzungsschalter auslöst, nachdem die Stromzuführung begonnen wurde, wird der Strom auf einen Pegel vermindert, der niedriger ist als der anfängliche Strom (etwa 70 kA). Das Abschalten des verringerten Stroms wird durch die Zeit gesteuert. D. h., der Strom wird 1,5 bis 5 s nach dem Beginn des Zuführens des anfänglichen Stroms abgeschaltet.
Das Verbindungsverfahren mit einer solchen Stromsteuerung, bei welcher der Strom verringert wird, wenn der Ventilsitz 3 nahezu vollständig in dem Zylinderkopfkörper 2 eingebettet ist, wird nachstehend beschrieben.
Zu Beginn der Stromzuführung erfährt der Ventilsitz 3 eine größere Wärmeausdehnung als der Zylinderkopfkörper 2, obwohl der Wärmeausdehnungskoeffizient niedriger ist als derjenige des Zylinderkopfkörpers 2, da die Temperatur des Ventilsitzes 3 viel schneller steigt als die Temperatur des Zylinderkopfkörpers 2, der aus Al hergestellt ist, wie es im Zusammenhang mit der Ausführungsform 2 beschrieben worden ist. Folglich wird der Ventilsitz 3 in dem Fall, bei dem der Strom vollständig abgeschaltet wird, wenn der Ventilsitz 3 nahezu vollständig in dem Zylinderkopfkörper 2 eingebettet ist, einer thermischen Zugbelastung ausgesetzt, da der Ventilsitz 3 einer größeren Schrumpfung unterliegt als der Zylinderkopfkörper 2.
Daher wird der zugeführte Strom ausgehend vom anfänglichen Strom vermindert, so dass die Temperatur des Ventilsitzes 3 ähnlich wie im Fall der Ausführungsform 2 nach und nach sinkt. Da andererseits die Temperatur des Zylinderkopfkörpers 2 aufgrund der von dem Ventilsitz 3 übertragenen Wärme steigt, nimmt die Temperaturdifferenz zwischen dem Ventilsitz 3 und dem Zylinderkopfkörper 2 ab. Wenn der Strom abgeschaltet wird, sinkt folglich die Differenz bei der Schrumpfung, wodurch die thermische Belastung abnimmt, die in dem Ventilsitz 3 erzeugt wird.
Gemäß der Ausführungsform 3 kann die Differenz des Ausmaßes der Wärmeausdehnung (Schrumpfung) zwischen dem Ventilsitz 3 und dem Zylinderkopfkörper 2 aufgrund der Differenz bei der Wärmekapazität und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten vermindert werden, da der Strom ausgehend vom anfänglichen Strom verringert wird, wenn der Ventilsitz 3 nahezu vollständig in dem Zylinderkopfkörper 2 eingebettet ist. Folglich kann die thermische Zugbelastung, die in dem Ventilsitz 3 erzeugt wird, verringert werden, und die Entwicklung vertikaler Risse in der inneren Umfangsfläche kann verhindert werden.
Obwohl in der Ausführungsform 3 der Strom mit konstanter Amplitude nach der Aktivierung des Begrenzungsschalters zugeführt wird, ist diese nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann nach dem anfänglichen Strom mit großer Amplitude ein Strom zugeführt werden, bei dem die Amplitude mit der Zeit abnimmt, wie es in 17A gezeigt ist, oder Pulse eines Stroms, der kleiner ist als der anfängliche Strom, können nach der Aktivierung des Begrenzungsschalters ähnlich wie in der Ausführungsform 2 zugeführt werden, wie es in 17B gezeigt ist. Mit dem gleichen Stromsteuerungsverfahren wie in der Ausführungsform 2 können ähnliche Effekte erzielt werden.
Obwohl in der Ausführungsform 3 die Stromamplitude durch Erfassen der Höhe des Ventilsitzes 3 mit dem Begrenzungsschalter verändert wird, kann auch ein Positionserfassungsmittel wie z. B. ein Photosensor verwendet werden. Anstelle des Erfassens der Position kann der Strom auch gemäß der vergangenen Zeit verändert werden. In dem letztgenannten Fall wird der Strom vorzugsweise 0,25 bis 1 s (mehr bevorzugt 0,25 bis 0,5 s) nach dem Beginn des Zuführens des Stroms verändert. Diese Periode ermöglicht die Änderung des Stroms, wenn der Ventilsitz 3 nahezu vollständig in den Zylinderkopfkörper 2 eingebettet ist.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Zylinderkopfkörper 2 vor dem Verbinden des Ventilsitzes 3 mit dem Zylinderkopfkörper 2 auf etwa 200°C vorgewärmt wird. Dieses Verfahren vermindert die Temperaturdifferenz weiter und ermöglicht die Minimierung der thermischen Belastung. Als Folge davon kann die Entwicklung vertikaler Risse in dem Ventilsitz 3 sicher verhindert werden und das Erfordernis der Veränderung des Stroms nach der Aktivierung des Begrenzungsschalters kann beseitigt werden. Das Vorheizen des Zylinderkopfkörpers 2 kann mit der Schweißvorrichtung 20 durchgeführt werden. Insbesondere wird nach Ersetzen der oberen und der unteren Elektrode 24, 25 der Schweißvorrichtung 20 durch Elektroden, die aus Kohlenstoff hergestellt sind, und Halten des Zylinderkopfkörpers 2 zwischen den Elektroden 24, 25, die Schweißenergiequelle eingeschaltet, wodurch der Zylinderkopfkörper 2 vorgeheizt wird. Da die Elektroden 24, 25 aus Kohlenstoff hergestellt sind, wird durch die Elektroden viel Wärme erzeugt, wodurch der Zylinderkopfkörper 2 effizient vorgewärmt wird. Dieses Schema ermöglicht einen In-line-Betrieb.
Es kann auch ein Verfahren eingesetzt werden, wie es in 18 gezeigt ist, bei dem die obere Fläche des Ventilsitzes 3 in Richtung der Mitte höher ist, wobei die kegelförmige obere Fläche 3d ausgebildet wird, und eine konische Ausnehmung 34 auf der Bodenfläche der oberen Elektrode 24 ausgebildet ist, wobei die kegelförmige obere Fläche 3d des Ventilsitzes 3 im Wesentlichen eingepasst werden kann, wobei der Druck ausgeübt wird, während die kegelförmige obere. Fläche 3d des Ventilsitzes 3 in die Ausnehmung 34 der oberen Elektrode 24 eingepasst ist. Wenn der Druck unter diesen Bedingungen ausgeübt wird, wirkt der Druck auch in der Richtung des verminderten Radius des Ventilsitzes 3 und daher kann eine Ausdehnung des Ventilsitzes 3 selbst dann verhindert werden, wenn dessen Temperatur steigt, wodurch die Differenz des Schrumpfausmaßes minimiert wird, und zwar trotz einer signifikanten Differenz der Temperatur zwischen dem Ventilsitz 3 und dem Zylinderkopfkörper 2. Daher kann auch dieses Verfahren die Entwicklung vertikaler Risse in dem Ventilsitz 3 verhindern.
Wie es in 19 gezeigt ist, ist es bevorzugt, an den Ecken zwischen der inneren Umfangsfläche und der oberen und unteren Fläche abgeschrägte Bereiche 3e, 3e auszubilden, um die Belastungskonzentration an der inneren Umfangsfläche des Ventilsitzes 3 zu vermindern.
Da die innere Umfangsflächenseite des Ventilsitzes 3 zuletzt durch spanabhebendes Bearbeiten entfernt wird, kann der Ventilsitz 3 gesintert werden, wobei der durch spanabhebendes Bearbeiten zu entfernende Bereich aus einem billigen Material hergestellt ist.
Ausführungsform 4
20 zeigt einen Bereich der Schweißvorrichtung 20 gemäß der Ausführungsform 4 (eine detaillierte Beschreibung von Bereichen, die mit den in 7 gezeigten Bereichen identisch ist, wird weggelassen und es werden lediglich unterschiedliche Bereiche beschrieben), bei welcher der Weg zum Durchleiten des Stroms im Hinblick auf die Ausführungsformen 1 bis 3 verändert ist.
Während in dieser Ausführungsform bei der Schweißvorrichtung 20 die untere Elektrode 25 entsprechend den Ausführungsformen 1 bis 3 angeordnet ist, ist die untere Elektrode 25 nicht mit der Schweißenergiequelle 26 verbunden und wird lediglich zum Ausüben eines Drucks auf den Ventilsitz 3 und den Zylinderkopfkörper 2 eingesetzt. Die obere Elektrode 24 umfasst erste und zweite Elektroden 24a, 24b, wobei die erste Elektrode 24a mit der Elektrode der Ausführungsformen 1 bis 3 identisch ist. Die zweite Elektrode 24b kann mit einem Druckzylinder vertikal bewegt werden, der dem Druckzylinder 22, der die erste Elektrode 24a vertikal bewegt, ähnlich ist, jedoch von diesem getrennt ist. Die zweite Elektrode 24b ist anders als die erste Elektrode 24a aus Kohlenstoff hergestellt und die Elektroden 24a, 24b sind mit der Schweißenergiequelle 26 verbunden.
Die ersten und zweiten Elektroden 24a, 24b sind so angeordnet, dass sie mit den oberen Flächen des Ventilsitzes 3, der noch verbunden werden soll, bzw. dem Ventilsitz 3 in Kontakt sind, der bereits mit dem Zylinderkopfkörper 2 verbunden worden ist. Wenn die Schweißenergiequelle 26 eingeschaltet wird, dann fließt ein Strom in dieser Reihenfolge durch die erste Elektrode 24a, den Ventilsitz 3, der noch verbunden werden soll, den Zylinderkopfkörper 2, den Ventilsitz 3, der verbunden worden ist, und die zweite Elektrode 24b, bevor der Strom zu der Schweißenergiequelle 26 zurückkehrt. Bei dieser Konfiguration dient der Ventilsitz 3, der verbunden worden ist, als Rückführungsweg für den Strom während des Verbindens des Ventilsitzes 3, der noch verbunden werden soll.
Gemäß der Ausführungsform 4 ist das Ausmaß des Widerstandsheizens in dem Ventilsitz 3, der verbunden worden ist, gering, und die Temperatur steigt beim Verbinden des Ventilsitzes 3 im Gegensatz zu dem Ventilsitz 3, der noch verbunden werden soll, nicht an. Da jedoch die zweite Elektrode 24b, die aus Kohlenstoff hergestellt ist, Wärme erzeugt, wird selbst der Ven tilsitz 3, der verbunden worden ist, gehärtet, so dass er eine höhere Härte aufweist, und er kann angelassen werden, wie es im Zusammenhang mit der Ausführungsform 2 beschrieben worden ist. Darüber hinaus kann der Ventilsitz 3, der verbunden worden ist, ohne Erhöhen der Anzahl der Verfahren In-line angelassen werden. Als Folge davon kann der thermische Effekt einer erhöhten Härte des Ventilsitzes 3 während des Verbindens effektiv vermindert werden.
Obwohl die zweite Elektrode 24b in der Ausführungsform 4 aus Kohlenstoff hergestellt ist, kann das Material der zweiten Elektrode 24b dann, wenn die Temperatur des Ventilsitzes 3, das verbunden worden ist, zu hoch wird, da Kohlenstoff ein Material ist, das Wärme am besten erzeugen kann, aus denjenigen Materialien ausgewählt werden, die ein effektives Anlassen erlauben, wie z. B. Stahl und Messing.
Ausführungsform 5
21 zeigt einen Kolben eines Dieselmotors als verbundenes Metallteil gemäß der Ausführungsform 5. Der Kolben 41 umfasst wie in der Ausführungsform 1 einen Kolbenkörper 42 (zweites Metallteil), der aus einem Material auf Al-Basis hergestellt ist, mit einem Ringeinsatz 43 (erstes Metallteil), der aus einem Material auf Fe-Basis hergestellt ist und am Umfang eines oberen Bereichs des Kolbenkörpers verbunden ist, sowie mit einem Verstärkungsteil 44 (erstes Metallteil), das aus einem Material auf Fe-Basis hergestellt ist (beispielsweise einem austenitischen Edelstahl) und an einer Lippe in einer Brennkammer 42a verbunden ist, die in der Mitte im oberen Bereich des Kolbenkörpers 42 bereitgestellt ist.
Der Kolbenkörper 42 wird im Stand der Technik mit einem Einsatz des Ringeinsatzes 43 gegossen. Die Festigkeit des Kolbenkörpers 42 kann durch eine T6-Wärmebehandlung nicht verbessert werden, da das Gießen des Kolbenkörpers 42 zusammen mit dem Ringeinsatz 43 mit der Erzeugung einer spröden intermetallischen Verbindung von Fe-Al einhergeht. Andererseits wird der Kolbenkörper 42 gemäß dieser Ausführungsform einer T6-Wärmebehandlung unterworfen und anschließend kann der Ringeinsatz 43 mit dem Kolbenkörper 42 verbunden werden. Selbst wenn die T6-Wärmebehandlung nach dem Verbinden des Ringeinsatzes 43 mit dem Kolbenkörper 42 durchgeführt wird, ist es unwahrscheinlich, dass Fe-Al erzeugt wird und es treten keine Probleme auf. Folglich kann der Kolben 41 sowohl bezüglich der Verschleißbeständigkeit als auch der Festigkeit verbessert werden.
Andererseits besteht ein Proben dahingehend, dass eine Entwicklung von Rissen in der Wand, insbesondere in Ecken, der Brennkammer 42a des Kolbens 42 wahrscheinlich ist.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Entwicklung von Rissen in der Wand der Brennkammer 42a verhindert, da das Verstärkungselement 44 mit der Lippe in der Brennkammer 42a verbunden ist.
Ausführungsform 6
Die 22 zeigt einen Bereich eines Zylinderblocks 51 eines Motors, bei dem es sich um ein verbundenes Metallteil gemäß der Ausführungsform 6 handelt. Der Zylinderblock 51 umfasst entsprechend der Ausführungsform 1 einen Zyiinderblockkörper 52 (zweites Metallteil), der aus einem Material auf Al-Basis hergestellt ist, mit einem Rippenteil 53 (erstes Metallteil), das aus einem Material auf Fe-Basis hergestellt ist und auf der Oberseite eines Wassermantels 52a verbunden ist. Das Bezugszeichen 54 bezeichnet eine Auskleidung, die aus Gusseisen hergestellt und auf der Innenfläche des Zylinders angebracht ist.
Um die Steifigkeit des Zylinderblocks 51 zu erhöhen, wird die Rippe in dem oberen Bereich des Wassermantels als integraler Teil desselben durch die Verwendung eines Sandkerns beim Gießen des Zylinderblockkörpers 52 ausgebildet. Dieses Verfahren weist jedoch das Problem auf, dass die Zykluszeit des Gießens länger wird, was zu einer niedrigen Produktivität führt. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Gießen des Zylinderblockkörpers 52, das Verbinden des Rippenteils 53 auf dem Wassermantel 52a des Zylinderblocks 52 in kurzer Zeit und ein Erhöhen der Steifigkeit des Zylinderblocks vereinfacht. Folglich kann die Auskleidung 54 auf der inneren Umfangsfläche des Zylinders vor einem Verformen bewahrt werden, die Motorleistung wie z. B. LOC und NVH kann verbessert werden und dies kann auch auf einen Zylinderblock ohne Auskleidung angewandt werden.
Erfindungsgemäße Ausführungsform
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 23 beschrieben. Während es sich bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform um einen Fall des Verbindens des Zylinderkopfkörpers 2 mit dem Ventilsitz 3 wie in den Ausführungsformen 1 bis 4 handelt, kann die vorliegende Erfindung auch auf den Fall des Verbindens des Kolbenkörpers 42 mit dem Ringeinsatz 43 oder des Verbindens des Zylinderblockkörpers 52 mit dem Rippenteil 53 wie in den Ausführungsformen 5 und 6 angewandt werden.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform ist von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zunächst bezüglich des Materials des Ventilsitzes 3 verschieden. Der Ventilsitz 3 ist ein gesintertes Material, das aus einem pulverförmigen Material auf Fe-Basis hergestellt ist, in dem Cu als Element mit hoher elektrischer Leitfähigkeit im Wesentlichen einheitlich dispergiert ist, und das ohne Tränken der inneren Poren mit einem Material auf Cu-Basis wie in den vorstehenden Ausführungsformen verbunden wird. Der Ventilsitz 3 wird außerdem durch Eintauchen desselben in ein Füllstoffbad 14 und Anwenden einer Ultraschallvibration zur Bildung der diffusionsverbundenen Schicht 5 aus dem Hartlötmaterial und dem Ventilsitz 3 und der Hartlötmaterialschicht 7 auf der Oberfläche des Ventilsitzes 3 und anschließend Entfernen der Hartlötmaterialschicht 7 von der Oberseite (Kontaktbereich der oberen Elektrode 24) des Ventilsitzes 3 durch spanabhebendes Bearbeiten oder dergleichen hergestellt, bevor die obere Elektrode 24 in Kontakt gebracht wird. Die diffusionsverbundene Schicht 5 sowie die Hartlötmaterialschicht 7 können auch von der Oberseite des Ventilsitzes 3 entfernt werden.
Der zweite Unterschied dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform bezüglich der vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 6 besteht darin, dass der Verjüngungswinkel der Verbindungsfläche 2a vor dem Verbinden des Ventilsitzes 3 mit dem Zylinderkopfkörper 2 nicht etwa 0,79 rad (45°) beträgt, sondern auf etwa 0,52 rad (30°) eingestellt ist, d. h. auf den gleichen Wert wie der Verjüngungswinkel θ1 der ersten Verbindungsfläche 3a des Ventilsitzes 3 und des Zylinderkopfkörpers 2. D. h., im Gegensatz zu den vorstehenden Ausführungsformen, bei denen Strom und Druck auf den Ventilsitz 3 und den Zylinderkopfkörper 2 angelegt bzw. ausgeübt werden, die sich in linearem Kontakt befinden, der sich im Laufe des Verbindens in einen Oberflächenkontakt umwandelt, werden in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform der Strom und der Druck angelegt bzw. ausgeübt, während die erste Verbindungsfläche 3a des Ventilsitzes 3 und die Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 in Oberflächenkontakt gehalten werden. Der Oberflächenkontakt bezieht sich hier auf einen Kontakt über einen Bereich von 40 bis 200 mm² (vorzugsweise 40 bis 100 mm²).
Der dritte Unterschied besteht in der Konfiguration der oberen Elektrode 24, die einen Elektrodenkörper 35 und eine Elektrodenspitze 36 umfasst, die im Wesentlichen eine zylindrische Form aufweist und mit einer Schraube an der Spitze des Elektrodenkörpers 35 montiert ist. In der Mitte der Bodenfläche der Elektrodenspitze 36 ist ein Vorsprung 36a ausgebildet, der von der Bodenfläche (der Oberfläche, die mit dem Ventilsitz 3 in Kontakt sein soll) der Elektrodenspitze 36 in Richtung des Ventilsitzes 3 vorsteht. Der Vorsprung 36a ist in einer im Wesentlichen zylindrischen Form ausgebildet, die auf die innere Umfangsfläche des Ventilsitzes 3 eingepasst werden kann, und weist eine sich verjüngende Umfangsfläche 36b auf, deren Durchmesser in Richtung der Spitze etwas abnimmt. Der Vorsprung 36a weist einen vorbestimmten Abstand von der inneren Umfangsfläche (Seitenfläche entlang der Druckrichtung) des Ventilsitzes 3 über den gesamten Umfang der Seitenfläche 36b des Vorsprungs 36a auf, wenn die Bodenfläche der Elektrodenspitze 36 mit dem Ventilsitz 3 in Kontakt ist. Im Wesentlichen in der gleichen Höhe (Basisbereich) wie die Kontaktfläche, die einen Kontakt mit dem Ventilsitz 3 über den gesamten Umfang der Seitenfläche 36b des Vorsprungs 36a bereitstellt, ist ein Positionierungsbereich 36c bereitgestellt, der die Bewegung des Ventilsitzes 3 in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung (einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zum Druck ist) reguliert, wenn mit der Bodenfläche der oberen Elektrode 36 ein Druck auf den Ventilsitz 3 ausgeübt wird. Der Abstand zwischen der inneren Umfangsfläche des Ventilsitzes 3 und dem Positionierungsbereich 36c auf dem Umfang der Seitenfläche 36b wird auf ein Maß eingestellt (beispielsweise auf etwa 0,1 mm), das die Bewegung des Ventilsitzes 3 in der horizontalen Richtung ermöglicht, während der Abstand zwischen Bereichen, die von dem Positionierungsbereich 36c auf dem Umfang der Seitenfläche 36b des Vorsprungs 36a verschieden sind, und der inneren Umfangsfläche des Ventilsitzes 3 auf ein Maß eingestellt wird, das die Verformung der inneren Umfangsfläche des Ventilsitzes 3 in Richtung der Innenseite (die Seite, bei welcher der Durchmesser des inneren Umfangs abnimmt) unter der Einwirkung des Drucks kaum beschränkt.
In der Elektrodenspitze 36 der oberen Elektrode 24 ist ein Kühlmitteldurchgang 37 ausgebildet, der sich zum Durchleiten von Kühlwasser (Kühlmittel) zur Kühlung des Inneren der oberen Elektrode 24 vertikal erstreckt. Das obere Ende des Kühlmitteldurchgangs 37 ist mit dem unteren Ende des Kühlmitteldurchgangs verbunden, das sich vertikal auf dem Elektrodenkörper 35 erstreckt, während ein Einlass zum Einführen des Kühlwassers auf dem oberen Ende des Kühlmitteldurchgangs des Elektrodenkörpers 35 bereitgestellt ist. Am unteren Ende des Kühlmitteldurchgangs 37 der Elektrodenspitze 36 ist ein Auslass 37a für das Kühlwasser bereitgestellt, der sich seitlich auf der Elektrodenspitze 36 öffnet. Mit anderen Worten: Es wird eine Konfiguration bereitgestellt, bei welcher der Kühlwassereinlass auf der Seite bereitgestellt ist, die der Fläche der oberen Elektrode 24 gegenüberliegt, die mit dem Ventilsitz 3 in Kontakt ist, und bei welcher der Kühlwasserauslass 37a auf der Seite des Kontakts mit dem Ventilsitz 3 bereitgestellt ist, so dass der Strom durchgeleitet wird, während die obere Elektrode (insbesondere die Elektrodenspitze 36) mittels einer Einwegströmung von Kühlwasser vom Einlass zum Auslass gekühlt wird. Mit dem Auslass 37a ist ein Ablassrohr zum Ablassen des Kühlwassers bereitgestellt.
Entsprechend der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann aufgrund der Herstellung des Ventilsitzes 3 durch Sintern eines pulverförmigen Materials auf Fe-Basis, in dem Cu als Element mit hoher elektrischer Leitfähigkeit im Wesentlichen einheitlich dispergiert ist, das dann ohne Tränken der inneren Poren mit einem Material auf Cu-Basis verbunden wird, der spezifische Widerstand des Ventilsitzes 3 aufgrund des im Vorhinein darin dispergierten Cu trotz der Gegenwart der Poren so niedrig gehalten werden, wie derjenige eines Ventilsitzes, der mit einem Material auf Cu-Basis getränkt worden ist. Als Folge davon kann die Wärmeerzeugung beim Durchleiten des Stroms gehemmt werden, wodurch wie bei den Ausführungsformen eine zufriedenstellende Verbindung erhalten werden kann. Da die Wärmeleitfähigkeit aufgrund des Wärmeisolationseffekts der Poren niedriger ist als diejenige eines Ventilsitzes, der mit einem Material auf Cu-Basis getränkt worden ist, wird auch der Wärmeableitungseffekt des Ventilsitzes 3 während des Motorbetriebs bei einem geeigneten Niveau gehalten, was zur Bildung eines Oxidfilms führt, wodurch die Verschleißbeständigkeit des Ventilsitzes 3 verbessert wird.
Da der Ventilsitz 3 eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, führt das Anlegen des Stroms und das Ausüben des Drucks unter den Bedingungen eines linearen Kontakts wie in den vorstehenden Ausführungsformen in der frühen Stufe des Durchleitens des Stroms zu einer Erzeugung einer signifikanten Wärmemenge in den Verbindungsflächen 2a, 3a, 3b, wodurch die Möglichkeit des Überhitzens des Ventilsitzes 3 erhöht wird. Da darüber hinaus die Festigkeit aufgrund der Gegenwart der Poren relativ gering ist, ist es wahrscheinlich, dass die erste und die zweite Verbindungsfläche 3a, 3b des Ventilsitzes 3 verformt werden. Als Folge davon kann ein ausreichendes plastisches Fließen der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 nicht erreicht werden, was es unmöglich macht, einen ausreichenden Effekt des Zerstörens des Oxidfilms zu erhalten. Entsprechend dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform kann durch Anlegen des Stroms und Ausüben des Drucks nach dem vorhergehenden Bringen der ersten Verbindungsfläche 3a des Ventilsitzes 3 und der Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 in Oberflächenkontakt, die in den Verbindungsflächen 2a, 3a, 3b erzeugte Wärme auf ein geeignetes Niveau gebracht werden, wodurch eine Überhitzung verhindert wird. Folglich kann ein übermäßiges Härten selbst dann verhindert werden, wenn der Ventilsitz 3 beim Abschalten des Stroms schnell abgekühlt wird, und es kann eine Verformung der ersten und der zweiten Verbindungsfläche 3a, 3b des Ventilsitzes 3 verhindert werden, wodurch eine weiter verbesserte Verbindung erreicht wird.
Da der Vorsprung 36a auf der Bodenfläche der Elektrodenspitze 36 der oberen Elektrode 24 so ausgebildet ist, dass er einen vorbestimmten Abstand von der inneren Umfangsfläche des Ventilsitzes 3 aufweist, wenn die Bodenfläche der Elektrodenspitze 36 mit dem Ventilsitz 3 in Kontakt ist, und dass die Bewegung des Ventilsitzes 3 beim Ausüben des Drucks in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung an dem Positionierungsbereich 36c reguliert wird, der um den Basisbereich der Seitenumfangsfläche 36b des Vorsprungs 36a angeordnet ist, kann die Bewegung des Ventilsitzes 3 in einer im Wesentlichen horizontalen Richtung selbst dann sicher reguliert werden, wenn sich die innere Umfangsfläche des Ventilsitzes 3 unter Druck nach innen verformt, und der Ventilsitz 3 kann vor der Einwirkung einer signifikanten Kraft in Richtung des sich ausdehnenden Durchmessers bewahrt werden. Als Folge davon gibt es keine Möglichkeit der Entwicklung von Rissen in dem Ventilsitz 3 und des Reibens der Oberfläche des Vorsprungs 36a an dem Ventilsitz 3, wenn die obere Elektrode 24 nach dem Verbinden von dem Ventilsitz 3 gelöst wird. Da die Seitenumfangsfläche 36b des Vorsprungs 36a derart in einer sich verjüngenden Form ausgebildet ist, dass der Durchmesser in Richtung der Spitze des Vorsprungs 36a abnimmt, kann der Vorsprung 36a von der inneren Umfangsfläche des Ventilsitzes 3 einfacher gelöst werden. Folglich kann der Ventilsitz 3 in dem Zylinderkopfkörper 2 in vorteilhafter Weise positioniert werden, während eine Entwicklung von Rissen in dem Ventilsitz 3 und eine Verkürzung der Gebrauchsdauer der oberen Elektrode 24 verhindert wird.
Da der Kühlwassereinlass auf der Seite gegenüber dem Bereich der oberen Elektrode 24 bereitgestellt ist, der mit dem Ventilsitz 3 in Kontakt steht, und der Kühlwasserauslass 37a auf der Seite des Kontakts mit dem Ventilsitz 3 bereitgestellt ist, so dass die obere Elektrode mittels einer Einwegströmung des Kühlwassers vom Einlass zum Auslass 37a gekühlt wird, ist ein Raum für eine vertikale Umlaufströmung von Kühlwasser, wie dies im Stand der Technik erforderlich ist, nicht nötig, wodurch es möglich wird, eine ausreichende Menge an Kühlwasser ohne Stagnation in einfacher Weise strömen zu lassen, und zwar selbst dann, wenn die Elektrodenspitze 36 der oberen Elektrode 24 einen kleinen Durchmesser aufweist. Als Folge davon kann die obere Elektrode 24 zuverlässig mit einem einfachen Verfahren gekühlt werden und die Gebrauchsdauer der oberen Elektrode 24 kann verbessert werden, während ein Erweichen der oberen Elektrode 24 verhindert wird.
Da ferner die Hartlötmaterialschicht 7 auf dem Bereich des Ventilsitzes 3, der mit der oberen Elektrode 24 in Kontakt kommen soll, vor dem In-Kontakt-Bringen der oberen Elektrode 24 mit diesem Bereich entfernt wird, kann die Erzeugung von sprödem Messing am Boden der Elektrodenspitze 36 der oberen Elektrode 24 durch Legieren des Cu-Gehalts der Elektrodenspitze 36 und des Zn-Gehalts des Hartlötmaterials verhindert werden. Dies trägt auch zur Verbesserung der Gebrauchsdauer der oberen Elektrode 24 bei.
Obwohl Cu innerhalb des Ventilsitzes 3 in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 6, die nicht vom Schutzbereich von Anspruch 1 umfasst sind, und in der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform einheitlich dispergiert ist, kann der Cu-Gehalt in dem Bereich des Ventilsitzes 3, der dem Zylinderkopfkörper 2 gegenüber liegt, höher gemacht werden als in dem Bereich auf der Seite des Zylinderkopfkörpers 2, so dass die dem Zylinderkopfkörper 2 gegenüberliegende Seite eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, die höher ist als diejenige des Zylinderkopfkörpers 2. Beispielsweise können beide Komponenten, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, temporär gesintert und dann zusammengesetzt und zu dem Endzustand gesintert werden. Dieses Verfahren ermöglicht die Minimierung der Wärme, die in dem Ventilsitz 3 erzeugt wird, die Steuerung der Wärmemenge, die in den Verbindungsflächen 2a, 3a, 3b erzeugt wird, auf ein geeignetes Niveau, um dem Material in der Nähe der ersten und der zweiten Verbindungsfläche 3a, 3b des Ventilsitzes eine hohe Festigkeit und eine hohe Verschleißbeständigkeit zu verleihen. Folglich kann die erste und die zweite Verbindungsfläche 3a, 3b des Ventilsitzes 3 effektiver vor einem Verformen aufgrund eines Überhitzens beim Verbinden bewahrt werden, während die Ventilverbindungsfläche 3c, die in der letzten Stufe durch Entfernen des Bereichs gegenüber dem Zylinderkopfkörper 2 ausgebildet wird, aus einem Material mit hoher Festigkeit und hoher Verschleißbeständigkeit besteht. Die Teilchen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, die in dem pulverförmigen Material vor dem Sintern dispergiert sind, sind nicht auf Cu beschränkt und ein pulverförmiges Material aus Ag mit hoher elektrischer Leitfähigkeit oder aus einem Element mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von nicht mehr als 3 × 10^–8 Ω·m kann vor dem Sintern dispergiert werden. In diesem Fall weist das Element eine Wärmeleitfähigkeit von vorzugsweise 2 J/cm·s·K auf.
Obwohl der Strom und der Druck in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen angelegt bzw. ausgeübt wird, wenn die erste Verbindungsfläche 3a des Ventilsitzes 3 und die Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 in Oberflächenkontakt gebracht worden sind, können auch die zweite Verbindungsfläche 3b des Ventilsitzes 3 und die Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 in Oberflächenkontakt gebracht werden, wie es in 24 gezeigt ist. Es kann auch eine Konfiguration eingesetzt werden, bei der eine dritte Verbindungsfläche 3f zwischen der ersten Verbindungsfläche 3a und der zweiten Verbindungsfläche 3b des Ventilsitzes 3 ausgebildet ist, während die dritte Verbindungsfläche 3f und die Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 in Oberflächenkontakt gebracht werden (25), oder bei der die zweite Verbindungsfläche 3b des Ventilsitzes 3, auf der die dritte Verbindungsfläche 3f ausgebildet ist, und die Verbindungsfläche 2a des Zylinderkopfkörpers 2 in Oberflächenkontakt gebracht werden (26). Das Verfahren zum vorhergehenden Erzeugen des Oberflächenkontakts ist nicht auf den Fall beschränkt, bei dem der Ventilsitz 3 ein gesintertes Material ist, das aus einem gepulverten Material auf Fe-Basis hergestellt ist, in dem Teilchen mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit wie z. B. Cu dispergiert sind, und es kann auf einen Fall angewandt werden, bei dem der Ventilsitz 3 ein gesintertes Material ist, das aus einem pulverförmigen Material hergestellt ist, das nur aus einem Element mit einer relativ niedrigen elektrischen Leitfähigkeit besteht (ein Element mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 3 × 10^–8 Ω·m oder höher), das im Stand der Technik verwendet worden ist (ohne Tränken eines Materials auf Cu-Basis). Der Ventilsitz 3 kann auch ein Material sein, das nur aus einem Element mit einer relativ niedrigen elektrischen Leitfähigkeit besteht. Die Möglichkeit des Überhitzens des Ventilsitzes 3 kann auch in solchen Fällen minimiert werden.
Obwohl in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Kühlwassereinlass auf der Seite gegenüber dem Bereich der oberen Elektrode 24, der mit dem Ventilsitz 3 in Kontakt steht, und der Kühlwasserauslass 37a auf der Seite (der Elektrodenspitze 36) des Kontakts mit dem Ventilsitz 3 bereitgestellt ist, kann die Positionsbeziehung des Einlasses und des Auslasses 37a umgekehrt werden. Um den Effekt des Kühlens der Elektrodenspitze 37 der oberen Elektrode 24 weiter zu verbessern, kann ein Zusatzeinlass 37b separat von dem Einlass auf der dem Auslass 37a gegenüberliegenden Seite bezogen auf die Elektrodenspitze 37 bereitgestellt werden, wie es in 27 gezeigt ist. In der 27 bezeichnet das Bezugszeichen 39 ein Rohr zum Zuführen des Kühlwassers, das durch Einschrauben mit dem Zusatzeinlass 37b verbunden ist. Die untere Elektrode 25 kann auch wie die obere Elektrode 24 mit einem Einwegstrom von Kühlwasser gekühlt werden.
Das Verfahren des Positionierens des Ventilsitzes 3 in der im Wesentlichen horizontalen Richtung gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 6, die nicht vom Schutzbereich von Anspruch 1 umfasst sind, und der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsform, kann nicht nur auf den Fall des Schmelzens des Hartlötmaterials der Hartlötmaterialschicht 7 durch elektrisches Widerstandsheizen angewandt werden, sondern auch auf den Fall des Schmelzens des Hartlötmaterials durch lokales Erwärmen durch Induktionsheizen oder dergleichen, wie es im Zusammenhang mit den Ausführungsformen 1 bis 6, die nicht vom Schutzbereich von Anspruch 1 umfasst sind, und der erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben worden ist.
Obwohl der Ventilsitz 3 und der Zylinderkopfkörper 2 in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen in einem Flüssigphasendiffusionszustand verbunden werden, bei dem die diffusionsverbundene Schicht 5 und die geschmolzene Reaktionsschicht 6 dazwischen angeordnet sind, können ähnliche Effekte wie diejenigen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit einem beliebigen Verfahren erreicht werden, so lange die Metallteile durch die Wärme, die mittels Strom erzeugt wird, und den ausgeübten Druck verbunden werden, wie es beim Verbinden der Teile mit dem herkömmlichen Widerstandsschweißen oder dem Festphasendiffusionsschweißen der Fall ist, jedoch wird die Hartlötmaterialschicht 7 im Vor hinein von dem Bereich des Ventilsitzes 3 entfernt, der mit der oberen Elektrode 24 in Kontakt steht. Bezüglich der Entfernung der Nartlötmaterialschicht 7 im Vorhinein kann ein beliebiges Verfahren eingesetzt werden, so lange der Ventilsitz 3 und der Zylinderkopfkörper 2 durch die Wärme, die mit Strom erzeugt wird, und den ausgeübten Druck nach dem Eintauchen des Ventilsitzes 3 in das Hartlötmaterialbad 14 und durch Ausbilden der Hartlötmaterialschicht 7 mittels der diffusionsverbundenen Schicht 5 auf der Oberfläche des Ventilsitzes 3 verbunden werden.
Beispiele, die nicht vom Schutzbereich von Anspruch 1 umfasst sind
Nachstehend werden spezifisch durchgeführte Beispiele beschrieben. Als erstes werden Grundbeispiele beschrieben, die den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 6 entsprechen.
Als erstes wurde ein Prüfkörper 61 unter Verwendung einer gegossenen Al-Legierung (AC4D, definiert in JIS N5202) als zweites Metallteil hergestellt, wie es in 28 gezeigt ist. Der Prüfkörper 61 wurde einer T6-Wärmebehandlung unterworfen.
Anschließend wurden 5 Arten von Ventilsitzen auf Fe-Basis durch Ändern des Verfahrens der Beschichtung mit dem Hartlötmaterial, der Sitzform und des Verjüngungswinkels 81 der ersten Verbindungsfläche hergestellt (Grundbeispiele 1 bis 5), wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist.
Tabelle 1
Fr.: Reibung; U.s.: Ultraschall
In der Tabelle 1 bezieht sich "Reibung" in der Spalte des Verfahrens der Beschichtung mit dem Hartlötmaterial auf das Verfahren des Beschichtens durch Reiben des Hartlötmaterials und Zerstören des Oxidfilms bei der Ausbildung der diffusionsverbundenen Schicht und der Hartlötmaterialschicht auf der Oberfläche des Ventilsitzes. "Ultraschall" bezieht sich auf das Verfahren des Beschichtens mit dem Hartlötmaterial durch Ultraschailplattieren, wie es im Zusammenhang mit der Ausführungsform 1 beschrieben worden ist. Der Ausdruck "dünne Wand" in der Spalte der Sitzkonfiguration bezieht sich auf einen Ventilsitz, der eine Konfiguration nahe an der Endform mit einer dünnen Wand aufweist, wie es in 29 gezeigt ist. "Dicke Wand" bezieht sich auf eine Konfiguration, die der der vorstehenden Ausführungsformen 1 bis 6 ähnlich ist, mit einer dicken Wand, wie es in 30 gezeigt ist.
Der Ventilsitz wurde durch Sintern eines pulverförmigen Materials auf Eisenbasis mit darin dispergierten bestimmten legierten Zusammensetzungen hergestellt, wie sie z. B. in der Tabelle 2 (mit Ausnahme von Cu) gezeigt sind. In der Tabelle 2 sind die Zahlenwerte als Gew.-% angegeben und TC bezieht sich auf den Gesamtkohlenstoff (Gesamtmenge des Kohlenstoffs in Form von freiem Kohlenstoff (Graphit) und von Zementit).
Tabelle 2
Als Hartlötmaterial wurde eine eutektische Zn-Al-Legierung verwendet, die aus 95 Gew.-% Zn, 4,95 Gew.-% Al und 0,05 Gew.-% Mg bestand.
Die Ventilsitze wurden mit einem Material auf Cu-Basis getränkt und mit einer Cu-Plattierung auf der Oberfläche beschichtet.
Die Ventilsitze der Grundbeispiele 1 bis 5 wurden mit dem Prüfkörper 61 mit einer Schweißvorrichtung verbunden, die derjenigen der Ausführungsform 1 entsprach. Der Druck und der Strom, die beim Verbinden ausgeübt bzw. angelegt wurden, wurden auf die in der Tabelle 1 gezeigten Werte eingestellt. Der Strom wurde so gesteuert, dass eine im Wesentlichen konstante Einbettungstiefe des Ventilsitzes erreicht wurde, wobei eine Änderung des Drucks dazu führt, dass der Kontaktwiderstand zwischen dem Ventilsitz und dem Prüfkörper 61 zu einer Änderung der Tiefe führt.
Zum Vergleich wurden Ventilsitze mit einer dicken Wand mit θ1 = 0,52 rad (30°) (mit einer Cu-Plattierung beschichtet) durch Festphasendiffusionsverbinden (Druckschweißen) hergestellt, wobei der Druck und der Strom auf 29429 N (3000 kgf) bzw. 70 kA eingestellt wurden.
Anschließend wurde die Verbindungsfestigkeit der Ventilsitze der Grundbeispiele 1 bis 5 und des Standes der Technik gemessen. Der Prüfkörper 61 wurde auf der oberen Fläche einer Halterung 63 platziert, wobei die Seite, an welcher der Ventilsitz 62 verbunden ist, nach unten zeigt, wie es in der 31 gezeigt ist. Der Ventilsitz 62 wird über einem Durchgangsloch 63a platziert, das im Wesentlichen in der Mitte der Halterung 63 ausgebildet ist, um einen Kontakt des Ventilsitzes 62 mit der Halterung 63 zu verhindern. Eine zylindrische Druckvorrichtung 64 wurde von oben durch das Durchgangsloch 61a des Prüfkörpers 61 eingeführt, um den Ventilsitz 62 mit Druck zu beaufschlagen, und die Ablösebelastung wurde beim Ablösen des Ventilsitzes 62 von dem Prüfkörper gemessen. Die Ablösebelastung repräsentiert die Verbindungsfestigkeit.
Die Ergebnisse der Ablösebeiastungsmesstests sind in der 32 gezeigt. Ein Vergleich des Grundbeispiels 1 mit dem Grundbeispiel 2 zeigt, dass eine höhere Verbindungsfestigkeit durch Ausbilden der diffusionsverbundenen Schicht und der Hartlötmaterialschicht auf der Oberfläche des Ventilsitzes durch Ultraschallplattieren anstelle des Reibens des Hartlötmaterials zum Beschichten erhalten werden kann. Es wird angenommen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die diffusionsverbundene Schicht im Grundbeispiel 1 nicht vollständig ausgebildet worden ist, da die diffusionsverbundene Schicht auf der Oberfläche des Ventilsitzes nach dem Test im Grundbeispiel 2 zurückblieb (vgl. 35), wie es später beschrieben wird, während das Hartlötmaterial und die diffusionsverbundene Schicht im Grundbeispiel 1 kaum beobachtet wurden.
33 zeigt eine Mikrophotographie (180-fache Vergrößerung) der Ventilsitzoberfläche unmittelbar nach dem Anwenden der Ultraschallplattierung im Grundbeispiel 2, Fig. 34 zeigt eine Mikrophotographie (360-fache Vergrößerung) der Verbindungsflächen des Ventilsitzes und des Prüfkörpers 61 nach dem Verbinden und 35 zeigt eine Mikrophotographie (360-fache Vergrößerung) der Ventilsitzoberfläche nach dem Ablösebelastungsmesstest. In der 33 ist der Ventilsitz an seiner Oberseite mit einer Hartlötmaterialschicht ausgestattet, die unterhalb mittels der dünnen diffusionsverbundenen Schicht ausgebildet ist, und weist keine Cu-Plattierungsschicht auf. Es ist ersichtlich, dass innerhalb des Ventilsitzes Poren vorliegen, die mit einem Material auf Cu-Basis getränkt sind. In der 34 liegt keine Lücke zwischen dem Ventilsitz und dem darunter angeordneten Prüfkörper 61 vor und die diffusionsverbundene Schicht und die geschmolzene Reaktionsschicht sind deutlich sichtbar. 35 zeigt die dünne diffusionsverbundene Schicht, die auf der Oberfläche des Ventilsitzes (untere Fläche) zurückgeblieben ist.
Ein Vergleich des Grundbeispiels 2 und des Grundbeispiels 3 zeigt, dass der Ventilsitz mit dicker Wand eine größere Ablösebelastung erfordert als derjenige mit dünner Wand. Es wird angenommen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass der Druck, der tatsächlich auf die verbundene Oberfläche wirkt, aufgrund der Verformung abnimmt, da der Ventilsitz im Grundbeispiel 2 Verformungen an den Ecken zeigte.
Ein Vergleich des Grundbeispiels 3 und des Grundbeispiels 4 zeigt, dass im Grundbeispiel 4 durch einen größeren Verjüngungswinkel 81 der ersten Verbindungsfläche ein besserer Effekt des Zerstörens des Oxidfilms und eine höhere Verbindungsfestigkeit erhalten werden können, wie es im Zusammenhang mit der Ausführungsform 1 beschrieben worden ist.
Ein Vergleich des Grundbeispiels 4 und des Grundbeispiels 5 zeigt, dass im Grundbeispiel 5, bei dem der Druck höher ist, eine höhere Verbindungsfestigkeit erhalten werden kann. Es ist auch ersichtlich, dass die Verbindungsfestigkeit durch Einstellen des Drucks auf 29429 N (3000 kgf) gegenüber dem Stand der Technik stark verbessert werden kann.
36 zeigt eine Mikrophotographie (Vergrößerung etwa 10000-fach) der Verbindungsflächen des Ventilsitzes und des Prüfkörpers 61 nach dem Verbinden in der Ausführungsform 5. Der Ventilsitz (einschließlich des weiß erscheinenden Bereichs) ist in dieser Photographie auf der linken Seite und der Prüfkörper 61 auf der rechten Seite gezeigt. Die diffusionsverbundene Schicht und die geschmolzene Reaktionsschicht sind in dem dazwischen liegenden grauen Bereich gezeigt. Es ist ersichtlich, dass beide Schichten eine Dicke von etwa 1 μm aufweisen. Eine Elementaranalyse zeigte, dass diese Schichten Fe, Zn und Al umfassten.
Der Effekt des Drucks wurde folgendermaßen genauer studiert. Der Ventilsitz wurde mit dem Prüfkörper 61 mit Drücken von 9807 N (1000 kgf), 14710 N (1500 kgf) und 29420 N (3000 kgf) verbunden, während das Verfahren des Beschichtens mit dem Hartlötmaterial, die Sitzform und der Verjüngungswinkel 81 entsprechend den Grundbeispielen 4, 5 durchgeführt bzw. eingestellt wurden. Anschließend wurde die Ablösebelastung entsprechend dem ersten Ablösebelastungsmesstest bestimmt.
Die Härte wurde bei den Prüfkörpern 61, die den Drücken von 9807 N (1000 kgf) und 29420 N (3000 kgf) unterworfen worden sind, nach dem Verbinden gemessen. Die Härte wurde an vorbestimmten Intervallen in einer Richtung gemessen, die um etwa 0,79 rad (45°) in der Richtung der Seite gegenüber der Stelle geneigt war, bei welcher der Ventilsitz verbunden wird, und zwar von der Ecke (Punkt in 38, bei dem der Abstand von der verbundenen Oberfläche gleich Null ist) zwischen der ersten Verbindungsfläche und der zweiten Verbindungsfläche des Ventilsitzes in Richtung des Umfangs des Prüfkörpers 61.
Die Ergebnisse des Ablösebelastungstests sind in der 37 gezeigt und die Ergebnisse des Härtetests sind in der 38 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass mit einem höheren Druck eine höhere Verbindungsfestigkeit und eine größere Härte in der Nähe der Verbindungsfläche des Prüfkörpers 61 erhalten werden können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein größerer Druck den Kontaktwiderstand vermindert und zu einer geringeren Wärmeerzeugung führt, wodurch das Erweichen des Prüfkörpers 61 beschränkt wird. Wenn das Erweichen beschränkt wird, wird ein plastisches Fließen mit einem größeren Effekt des Zerstörens des Oxidfilms sicher erreicht und die Abgabe des Hartlötmaterials wird auch zuverlässig erreicht.
Anschließend wurde der Effekt des Zuführens eines Pulsstroms durch Verbinden des Ventilsitzes mit dem Prüfkörper 61 mit einem Pulsstrom von 70 kA untersucht. Die Dauer des Pulsstroms wurde auf 0,5 Sekunden mit einem Intervall von 0,1 Sekunden mit einem Strom von Null eingestellt. Es wurden sechs Pulse abgegeben. Zum Vergleich wurde der Ventilsitz mit dem Prüfkörper 61 durch Zuführen eines kontinuierlichen Stroms (eines Stroms von 60 kA für 2 Sekunden) verbunden. In beiden Fällen wurde ein Druck von 29420 N (3000 kgf) ausgeübt.
Bei den Prüfkörpern, die mittels Pulsstrom und kontinuierlichem Strom verbunden worden sind, wurde die Härte vor und nach dem Verbinden an dem oberen und unteren Ende (Bereich A) und am Mittelbereich in der vertikalen Richtung (Bereich B) des Ventilsitzes gemessen. Die Härte und die Ablösebelastung wurden an vorbestimmten Intervallen in einer Richtung gemessen, die um etwa 0,79 rad (45°) in der Richtung der Seite gegenüber der Stelle geneigt war, bei welcher der Ventilsitz verbunden wird, und zwar von der Ecke zwischen der ersten Verbindungsfläche und der zweiten Verbindungsfläche des Ventilsitzes in Richtung des Umfangs des Prüfkörpers 61.
Die Messungen der Härte vor und nach dem Verbinden sind in 39 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Härte des Mittelbereichs in der vertikalen Richtung (Bereich B) nach dem Verbinden mit einem kontinuierlichen Strom sehr hoch wird, während durch den Pulsstrom aufgrund des allmählichen Aufheizens keine signifikante Zunahme der Härte verursacht wird.
Die Messungen der Härte in unterschiedlichen Abständen von der Verbindungsfläche sind in der 40 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass der Prüfkörper 61, der mittels Pulsstrom verbunden worden ist, aufgrund der von dem Ventilsitz übertragenen Wärme eine geringere Härte aufweist.
Die Ergebnisse der Ablösebelastungsmessungen sind in 41 gezeigt. Die Zuführung des Pulsstroms ermöglicht die Verminderung der Temperaturdifferenz zwischen dem Ventilsitz und dem Prüfkörper 61 durch die Wärmeverteilung mittels des Prüfkörpers 61, wodurch die Differenz des Schrumpfausmaßes minimiert und die Verbindungsfestigkeit verbessert wird, während die Zunahme der Härte durch allmähliches Abkühlen des Inneren des Ventilsitzes beschränkt wird.
Um den Vorgang zu untersuchen, bei dem der Ventilsitz in den Prüfkörper 61 eingebettet wird, wurde die Verschiebung y des Ventilsitzes (vgl. 42) nach jeweils einem feststehenden Zeitraum nach dem Beginn des Ausübens des Drucks gemessen. Ein Pulsstrom von 68 kA wurde zugeführt. Die Dauer des Pulsstroms (H), die Länge des Intervalls mit einem Strom von Null (C) und die Anzahl der Pulse (H) waren bezüglich der Grundbedingungen von 0,5 Sekunden, 0,1 Sekunden bzw. 6 Pulse variabel. Die Tests wurden so durchgeführt, dass nur einer dieser Parameter bezüglich der Grundbedingungen geändert wurde (die geänderten Parameter sind in 43 gezeigt).
Die Ergebnisse der Verschiebungsmessung sind in der 43 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass das Einbetten durch den ersten Pulsstrom nahezu abgeschlossen ist und dass das Einbetten mit den nachfolgenden Pulsen nicht fortschreitet. Innerhalb der Bereiche der Bedingungen dieses Tests ändert sich die Verschiebung kaum. Wenn die Dauer der Pulse 1 s beträgt, dann wird die Verschiebung während des ersten Pulses jedoch etwas größer und eine größere Anzahl von Pulsen, wie z. B. im Beispiel 9, führt dazu, dass der Prüfkörper 61 erweicht und das Einbetten fortgesetzt wird. Daher ist es bevorzugt, dass der erste Puls so eingestellt wird, dass er das Einbetten des Ventilsitzes ermöglicht und dass der zweite und die nachfolgenden Pulse so eingestellt werden, dass sie ein allmähliches Abkühlen des Ventilsitzes und einer Wärmeverteilung zu dem Zylinderkopfkörper ermöglichen.
Anschließend wurden die Ventilsitze, die durch Sinterschmieden hergestellt worden waren, durch Zuführen eines Pulsstroms von 60 kA bei einem Druck von 29420 N (3000 kgf) mit dem Prüfkörper 61 verbunden. Die Dauer des Pulsstroms, die Länge des Intervalls mit einem Strom von Null und die Anzahl der Pulse wurden auf 0,5 Sekunden, 0,1 Sekunden bzw. 4 Pulse eingestellt. Zum Vergleich wurde ein Ventilsitz, der aus einem Sintermaterial herge stellt worden war, das mit einem Material auf Cu-Basis getränkt worden ist, mit einem Pulsstrom von 53 kA mit dem Prüfkörper 61 verbunden. Die Härte des Ventilsitzes, der durch Sinterschmieden hergestellt wurde, und des Ventilsitzes, der durch Sintern mit Tränken hergestellt wurde, wurde an vorbestimmten Intervallen in einer Richtung gemessen, die um etwa 0,79 rad (45°) in der Richtung der Seite gegenüber der Stelle geneigt war; bei welcher der Ventilsitz verbunden wird, und zwar von der Ecke (Punkt in 38, bei dem der Abstand von der verbundenen Oberfläche gleich Null ist) zwischen der ersten Verbindungsfläche und der zweiten Verbindungsfläche des Ventilsitzes in Richtung des Umfangs des Prüfkörpers 61.
Die Ergebnisse der Messungen sind in der 44 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Härte innerhalb des Prüfkörpers 61 im Fall des Sinterns mit Tränken niedriger ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Tränken mit dem Material auf Cu-Basis die Wärmeerzeugung in dem Ventilsitz beschränkt, wobei in der verbundenen Fläche eine effektive Wärmeerzeugung stattfindet, was zu einer Erweichung des Prüfkörpers 61 führt. Es wurde jedoch auch der Ventilsitz, der durch Sinterschmieden hergestellt worden ist, zufriedenstellend verbunden. Dies ist auch in einer Mikrophotographie (mit 50-fachen Vergrößerung in 45 und 400-facher Vergrößerung in 46) der Verbindungsflächen des Ventilsitzes und des Prüfkörpers 61 gezeigt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Poren in dem Ventilsitz durch das Schmieden zerstört wurden, wodurch der gleiche Effekt wie beim Tränken erreicht wurde.
Nachstehend wird ein Beispiel beschrieben, das der vorstehend beschriebenen Ausführungsform entspricht. Als erstes wurde ein Ventilsitz durch Sintern eines pulverförmigen Materials auf Fe-Basis hergestellt, in dem Cu einheitlich dispergiert war (Beispiel 1). Zum Vergleich wurden ein Ventilsitz, der durch Sinterschmieden hergestellt worden ist (Vergleichsbeispiel 1), und Ventilsitze verwendet, die aus einem gesinterten Material aus nur einem Element mit relativ niedriger elektrischer Leitfähigkeit hergestellt und mit einem Material auf Cu-Basis getränkt worden sind (Vergleichsbeispiele 2 bis 4).
Tabelle 3
k: Wärmeleitfähigkeit; D: Dichte.
Die Zusammensetzungen des Beispiels und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 sind in der Tabelle 3 gezeigt. Die Werte des Cu-Gehalts in den Vergleichsbeispielen 2 bis 4 sind Werte nach dem Tränken mit dem Material auf Cu-Basis, die den in der Tabelle 2 gezeigten Werten ähnlich sind, und Cu ist vor dem Tränken nicht enthalten. Der Cu-Gehalt in dem Beispiel wird auf einen Wert eingestellt, der mit dem Cu-Gehalt in den Vergleichsbeispielen 2 bis 4 nach dem Tränken vergleichbar ist.
Der Ventilsitz von Beispiel 1 und die Ventilsitze der Vergleichsbeispiele 2 bis 4 sind in 47 gezeigt. Es wurde ein Ventilsitz aus einem gesinterten Material mit den gleichen Komponenten wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei lediglich die Form unterschiedlich war (Beispiel 2). Die Form des Beispiels 2 ist in der 48 gezeigt. Bei dem Ventilsitz von Beispiel 2 ist die dritte Verbindungsfläche zwischen der ersten Verbindungsfläche und der zweiten Verbindungsfläche angeordnet, wie dies bei den in den 25 und 26 gezeigten Ventilsitzen der Fall ist.
Andererseits wurde ein Prüfkörper 71, der in 49 gezeigt ist, aus dem gleichen Material wie der Prüfkörper 61 hergestellt. Der Prüfkörper 71 weist wie der Prüfkörper 61 auf der Oberseite eines Durchgangslochs 71a einen abgeschrägten Bereich 71b auf. Der abgeschrägte Bereich 71b dient als Verbindungsfläche vor dem Verbinden mit dem Ventilsitz. Für den Verjüngungswinkel α des abgeschrägten Bereichs wurden vier Werte von etwa 0,52 rad (30°), etwa 0,79 rad (45°), etwa 1,04 rad (60°) und etwa 1,31 rad (75°) eingestellt.
Die Wärmeleitfähigkeit und die Dichte von Beispiel 1 und der Vergleichsbeispiele 2 bis 4 wurden gemessen. Die Messergebnisse sind in der Tabelle 3 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass das Beispiel 1 eine niedrigere Dichte aufweist als die Vergleichsbeispiele 2 bis 4, was die Gegenwart von Poren anzeigt. Die Wärmeleitfähigkeit von Beispiel 1 war höher als die Wärmeleitfähigkeit des Vergleichsbeispiels 1, jedoch aufgrund des Effekts der Wärmeisolierung der Poren niedriger als diejenige der getränkten Materialien der Vergleichsbeispiele 2 bis 4.
Bei dem Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1, 2 und 4 wurde die Änderung der Härte mit der Temperatur untersucht. Die Ergebnisse des Härtemesstests sind in der 50 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Härte des Ventilsitzes von Beispiel 1 etwas niedriger ist als die Härte des sintergeschmiedeten Vergleichsbeispiels 1 und der getränkten Materialien der Vergleichsbeispiele 2 bis 4, der deshalb leichter durch den Druck beim Verbinden verformt wird.
Die Ventilsitze von Beispiel 1 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 4 wurden mit den Prüfkörpern 71 mit einem Verjüngungswinkel α von etwa 0,79 rad (45°) verbunden. Der Strom und der Druck wurden an den Ventilsitz und den Prüfkörper 71 angelegt bzw. darauf ausgeübt, die miteinander in linearem Kontakt gebracht worden sind. Bei den verbundenen Anordnungen wurde die Ablösebelastung gemessen.
Die Ergebnisse der Ablösebelastungsmesstests sind in der 51 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Verbindungsfestigkeit von Beispiel 1 niedriger ist als diejenige des getränkten Materials der Vergleichsbeispiele 2 bis 4, jedoch ein Niveau hält, das mit dem des sintergeschmiedeten Vergleichsbeispiels vergleichbar ist.
Eine Mikrophotographie (etwa 50-fache Vergrößerung) zeigt das Innere des Ventilsitzes von Beispiel 1 nach dem Verbinden. Es ist gezeigt, dass die Poren nach dem Verbinden verbleiben und einen Wärmeisolationseffekt bereitstellen, wodurch die Wärmeverteilung langsamer stattfindet als bei dem getränkten Material.
Anschließend wurde der Effekt des Anlegens von Strom und des Ausübens von Druck auf die Teile untersucht, die im Vorhinein in einen Oberflächenkontakt gebracht worden sind. Der Ventilsitz von Beispiel 1 wurde mit dem Prüfkörper 71 mit einem Verjüngungswinkel αvon etwa 0,52 rad (30°) verbunden. Die erste Verbindungsfläche des Ventilsitzes und die Verbindungsfläche 71a des Prüfkörpers 71 wurden im Vorhinein in einen Oberflächenkontakt (Kontaktfläche 40 bis 200 mm²) gebracht. Der Ventilsitz von Beispiel 2 wurde mit dem Prüfkörper 71 mit einem Verjüngungswinkel α von etwa 1,04 rad (60°) verbunden. Der Ventilsitz und die Verbindungsfläche 71a des Prüfkörpers 71 wurden im Vorhinein in einen linearen Kontakt gebracht. Ferner wurde der Ventilsitz von Beispiel 2 mit dem Prüfkörper 71 mit einem Verjüngungswinkel α von etwa 1,31 rad (75°) verbunden. Die zweite Verbindungsfläche des Ventilsitzes und die Verbindungsfläche 71a des Prüfkörpers 71 wurden im Vorhinein in einen Oberflächenkontakt (Kontaktfläche 40 bis 200 mm²) gebracht.
Bei den vorstehend beschriebenen verbundenen Anordnungen wurden die Ablösebelastung und die Härte an einem Mittelbereich in der vertikalen Richtung (gehärtete Schicht) der Ventilsitze nach dem Verbinden gemessen. Auch die Härte wurde an vorbestimmten Intervallen in einer Richtung gemessen, die um etwa 0,79 rad (45°) in der Richtung der Seite gegenüber der Stelle geneigt war, bei welcher der Ventilsitz verbunden wird, und zwar von der Ecke (im Fall von Beispiel 2 von der Mitte der dritten Verbindungsfläche) zwischen der ersten Verbindungsfläche und der zweiten Verbindungsfläche des Ventilsitzes in Richtung des Umfangs des Prüfkörpers 71. Die Ergebnisse des Ablösebelastungstests sind in 53 gezeigt (zusammen mit der Messung im Fall eines linearen Kontakts von Beispiel 1, die im Vorhinein durchgeführt wurde). Die Messungen der Härte des Ventilsitzes sind in 54 gezeigt und die Messungen der Härte des Prüfkörpers 71 sind in 55 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass das Anlegen eines Stroms und das Ausüben eines Drucks an bzw. auf die Teile, die in linearen Kontakt miteinander gebracht worden sind, die Erzeugung überschüssiger Wärme in der Verbindungsfläche verursacht, wobei ein Teil der Wärme zum inneren des Prüfkörpers 71 übertragen wird, wodurch der Prüfkörper 71 erweicht wird, und wobei der Rest der Wärme zu dem Inneren des Ventilsitzes übertragen wird, was aufgrund eines schnellen Abkühlens beim Abschalten des Stroms zu einer erhöhten Härte des Inneren des Ventilsitzes führt. Wenn der Strom und der Druck nach dem Bringen der Teile in einen Oberflächenkontakt angelegt bzw. ausgeübt wird, dann werden andererseits die Wärmeerzeugung in der Verbindungsfläche und eine Erhöhung der Härte gehemmt, während die Verbindungsfestigkeit verbessert wird.
Zur Untersuchung der Verformung des Ventilsitzes nach dem Verbinden im Fall des Oberflächenkontakts in Beispiel 2 wurde eine verbundene Anordnung entlang einer vertikalen Ebene geschnitten, wobei die Schnittfläche mit einem Mikroskop untersucht wurde, wie es in der Mikrophotographie von 56 gezeigt ist. Zum Vergleich ist in 57 eine Mikrophotographie eines Querschnitts nach dem Verbinden mit einem linearen Kontakt in Beispiel 2 gezeigt. Ferner ist in 58 eine Mikrophotographie eines Querschnitts nach dem Verbinden des Ventilsitzes von Beispiel 2 mit dem Prüfkörper 71 ohne den abgeschrägten Bereich 71b (das Durchgangsloch 71a hat den gleichen Durchmesser bis zur oberen Fläche) gezeigt (auch ein Fall, bei dem die Teile im Vorhinein in einen linearen Kontakt gebracht worden sind). Diese Mikrophotographien wurden alle mit einer 10-fachen Vergrößerung aufgenom men. Es ist ersichtlich, dass der lineare Kontakt zu einer signifikanten Verformung der dritten Verbindungsfläche des Ventilsitzes nach innen führt, während ein Oberflächenkontakt zu einer beschränkten Wärmeerzeugung in der Verbindungsfläche und daher zu nahezu keiner Verformung in der Verbindungsfläche der Ventilfläche führt, und zwar trotz der größeren Tendenz zur Verformung als bei dem getränkten Material. Diese Photographien zeigen auch, dass die inneren Umfangsflächen der Ventilsitze nach innen verformt sind. Da jedoch die Ventilsitze wie in der Ausführungsform positioniert sind, konnte die Positionierung zufrieden stellend durchgeführt werden, ohne Risse in den Ventilsitzen oder eine Beschädigung der oberen Elektrode zu verursachen.

Claims

Verfahren zum Verbinden eines ersten Metallteils (3) an ein zweites Metallteil (2) durch Pressen und Erwärmen unter Durchleiten eines elektrischen Stroms durch beide Teile (2,3), umfassend die folgenden Schritte: (a) Herstellen eines pulverförmigen Materials mit Teilchen eines Elements mit einer hochen elektrischen Leitfähigkeit, das darin einheitlich verteilt ist, (b) Sintern des pulverförmigen Materials, um das erste Metallteil (3) herzustellen, das ein gesinterter Körper mit Innenporen, die während des Sinterschritts erhalten werden, ist, und (c) Verbinden des ersten Metallteils (3) mit dem zweiten Metallteil (2) durch Pressen und Erwärmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Teilchen mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit Kupferteilchen sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zwei Metallteile (2, 3), die vorher in Oberflächenkontakt miteinander gebracht werden, mit Strom versorgt und gleichzeitig unter Druck gesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Metallteil (3) eine höhere elektrische Leitfähigkeit in einem Bereich auf der dem zweiten Metallteil (2) gegenüberliegenden Seite als in dem anderen, dem zweiten Metallteil nahen Bereich aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: das vorherige Bilden einer Hartlötmaterialschicht (7) auf einer Verbindungsoberfläche des ersten Metallteils durch eine aus dem ersten Metallteil (3) und einem Hartlötmaterial gebildeten Diffusionsschicht, wobei das Hartlötmaterial eine eutektische Zusammensetzung aufweist, die eine Hauptkomponente des zweiten Metallteils (2) enthält und einen niedrigeren Schmelzpunkt als beide der zwei Metallteile (2, 3) aufweist, und das Verbinden der ersten und zweiten Metallteile durch Erwärmen unter Druck und wodurch infolge der Hitze, die durch das Durchleiten eines elektrischen Stromes durch die beiden Metallteile (2, 3) erzeugt wird, bei einer Temperatur, die höher als der Schmelzpunkt des Hartlötmaterials ist, um dadurch eine andere Diffusionsschicht des Hartlötmaterials an dem zweiten Metallteil zu bilden, während das geschmolzene Hartlötmaterial aus den zusammenpassenden Oberflächen der zwei Metallteile gepreßt wird, die zwei Metallteile durch eine Flüssigphasendiffusionsverbindung durch die zwei Diffusionsschichten verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das erste Metallteil aus einem Material auf Fe-Basis gebildet wird, das zweite Metallteil aus einem Material auf Al-Basis gebildet wird und das Hartlötmaterial ein Material auf Zn-Basis ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Hartlötmaterial aus einer eutektischen Zn-Al-Legierung gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei in dem Schritt des Bildens der Hartlötmaterialschicht Ultraschallvibration an die Oberfläche des in ein Hartlötmaterialbad (14) eingetauchten ersten Metallteils angewendet wird, um die Oberfläche mit einer Hartlötmaterialschicht zu beschichten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Verbinden des ersten Metallteils mit dem zweiten Metallteil durch plastisches Verformen der Verbindungsoberfläche des zweiten Metallteils unter Druck durchgeführt wird.