DE69936198T2

DE69936198T2 - Tellerventil aus Titanlegierung

Info

Publication number: DE69936198T2
Application number: DE1999636198
Authority: DE
Inventors: Yuji Fujisawa-shi Takano; Hiroaki Fujisawa-shi Asanuma; Ryousuke Fujisawa-shi Hada; Masahito Fujisawa-shi Hirose
Original assignee: Fuji Oozx Inc; Fuji Valve Co Ltd
Current assignee: Fuji Oozx Inc
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2019-10-05
Also published as: EP1076112B1; DE69936198D1; US6131603A; CN1283759A; EP1076112A1; KR20010020087A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Titanlegierung-Tellerventil, das eine verbesserte Verschleißfestigkeit und Festigkeit aufweist, sowie eine Oberflächenbehandlung dafür.
Die größte Schwierigkeit beim Erhöhen der zulässigen Drehzahl eines Motors besteht im Anstieg der Inertialmasse, die durch einen Gewichtsanstieg der Ventilbetätigungsteile bedingt wird. Steigt das Gesamtgewicht der Ventilbetätigungsteile, sinkt aufgrund der Inertialmasse bei der Rotation mit Hochgeschwindigkeit die Fähigkeit eines Ventilkörpers, einem Nocken zu folgen, wodurch die Motorleistungsfähigkeit sinkt.
Daher wird ein Tellerventil aus einer hitzebeständigen Titanlegierung niedriger Dichte geformt, um sein Gewicht im Vergleich zu einem herkömmlichen, hitzebeständigen Stahl zu verringern. Eine Titanlegierung besitzt jedoch eine Aktivität und bleibt wahrscheinlich an einem anderen Metall haften. Die Verschleißfestigkeit sowie die Dauerfestigkeit sind nicht ausreichend. Auf der Oberfläche des Titanlegierung-Ventils werden zum Verbessern der Verschleißfestigkeit Oberflächenbehandlungen wie beispielsweise Nitrieren sowie Vernickeln durchgeführt.
Das nitrierte Ventil stellt eine hohe Festigkeit oder Härte und Verschleißfestigkeit bereit, ist jedoch zu steif, so dass die Wahrscheinlichkeit hoch ist, dass es andere Teile angreift. Es ist erforderlich, Material eines anderen, mit dem Ventil in Kontakt stehenden Ventilbetätigungselementes zu ersetzen, hierdurch steigen die Herstellungskosten an. Ein vernickeltes Ventil erreicht keine ausreichende Hitzebeständigkeit und ist für den Einsatz als Auslassventil nicht geeignet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Hinsichtlich der Nachteile ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Titanlegierung-Tellerventil bereitzustellen, das die Verschleißfestigkeit und Festigkeit ohne Nitrieren oder Beschichten verbessert. Demgemäß betrifft die Erfindung ein Titanlegierung-Tellerventil, wie durch Anspruch 1 definiert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Bezug auf Ausführungsformen wie in den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
1 eine mittig vertikale Schnittdarstellung eines Tellerventils gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 ist eine Frontalansicht eines Abnutzungsprüfgerätes; und
3 ist ein Graph, der die Ergebnisse einer Prüfung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 stellt ein Titanlegierung-Tellerventil dar. Ein Ventilkörper 3, der einen Ventilschaft 1 sowie an seinem unteren Ende einen Ventilkopf 2 umfasst, wird aus einer Titan-Aluminium-Legierung, beispielsweise einer Titan-5-Aluminium-2,5-Zinn-Legierung mit α-Phase, Titan-6-Aluminium-4-Vanadium-Legierung mit (α + β)-Phase oder Titan-6-Aluminium-2-Zinn-4-Zirkon-2-Molybdän-Legierung, die aus einer (α + β)-Phase hergestellt ist, die eine kleine Menge oder weniger als 10 % β-Phase enthält, geformt.
Eine oxidierte Schicht 4, die TiO₂ enthält und eine Dicke von 10 bis 15 μm besitzt, wird auf der Oberfläche von Teilen ausgebildet, die eine hohe Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit benötigen, beispielsweise einer Ventilfläche 5, die mit einem Ventilsitz in Kontakt kommt, einem Zwischenteil 6 des Ventilschaftes 1, der gleitend in einer Ventilführung gelagert ist, einer Ringnut 7, in die ein Splint eingreift, sowie einer Endfläche 8, mit der ein Kipphebel oder ein Stößel in Eingriff tritt. Eine Grenzschicht 4a zwischen der oxidierten Schicht 4 und dem Ventilkörper 3 besitzt eine Nadelkristallstruktur.
Die oxidierte Schicht 4 wird durch Erhitzen der Oberfläche der genannten Teile des Ventilkörpers unter Sauerstoffatmosphäre auf eine vorgegebene Temperatur ausgebildet, um die Oberflächenschicht zu oxidieren. Die oxidierte Schicht 4 kann mit einer Hochfrequenz-Induktionsheizvorrichtung ausgebildet werden.
Nachdem die oxidierte Schicht 4 ausgebildet wurde, wird durch Aufkohlen der gesamten Fläche des Ventilkörpers 3 eine aufgekohlte Schicht 9 ausgebildet, die Titan enthält und eine Dicke von 3 bis 5 μm besitzt. Die aufgekohlte Schicht 9 wird durch Erhitzen der Fläche des Ventilkörpers 3 bei einer Temperatur, die geringer ist als der Umwandlungspunkt, beispielsweise 800 °C, durch eine Heizvorrichtung mit hochdichter Energie wie beispielsweise Plasma-, Laser- und Elektronenstrahl und durch Verteilen von Kohlenstoff durch Gasaufkohlen ausgebildet.
Die Heizvorrichtung mit hochdichter Energie wie beispielsweise Plasma erhitzt nur die Oberfläche örtlich für eine kurze Zeit, um zu verhindern, dass Hitze in das Innere übertragen wird, wodurch eine Veränderung des Materials des Ventilkörpers 3 und somit ein Abfall der Dauerfestigkeit verhindert wird. Sie ist darüber hinaus auch bei einer verkürzten Aufkohlungszeit vorteilhaft.
Die aufgekohlte Schicht 9 kann ausgebildet werden und anschließend kann die oxidierte Schicht 4 darin ausgebildet werden. In diesem Fall wird die Oxidation mit einem Acetylengas durchgeführt, um den Kohlenstoff in dem Gas in das Material hinein zu verteilen, wodurch der Oxidierungsschritt unterstützt wird.
Wie durch die vorgenannte Ausführungsform durchgeführt, besteht der Ventilkörper 3 aus einer Titan-Aluminium-Legierung oder einer α-Phase, einer (α + β)-Phase oder einer (α + β)-Phase, die eine kleine Menge β-Phase enthält, und die aufgekohlte Schicht 9 wird auf der Oberfläche ausgebildet, so dass der Ventilkörper 3 gefestigt wird, dies hat den Vorteil, dass durch die gleichachsige Struktur des Ventilkörpers 3 die Verformbarkeit unter Spannung sowie die Dauerfestigkeit erhöht werden. Durch Ausbilden nur der aufgekohlten Schicht 9 wird die Dauerfestigkeit um etwa 20 % erhöht.
Des Weiteren wird die oxidierte Schicht 4 in denjenigen Teilen der Ventilfläche 5 ausgebildet, die ein anderes Ventilbetätigungselement berühren, und die Grenzschicht 9a darunter ist teilweise in einer Nadelkristallstruktur organisiert, wodurch die Verschleißfestigkeit und die Festigkeit der Oberflächenschicht signifikant erhöht werden, ohne die Dauerfestigkeit des gesamten Ventilkörpers 3 zu verringern.
Die oxidierte Schicht 9 ist im Vergleich mit dem konventionellen Nitrieren nicht zu starr, so dass die Aggressivität gegenüber anderen Ventilbetätigungselementen nicht ansteigt.
Die Erfinder nehmen Proben der Oberfläche, die behandelt wurde, und an den Proben wird eine Abnutzungsprüfung durchgeführt. Es werden ein Abnutzungsprüfgerät und der Versuchsablauf beschrieben.
In 2 wird ein Kreuzstab-Prüfgerät dargestellt, dieses umfasst einen Motor 10, eine Probenbefestigungs-Spannvorrichtung 11, die sich genau über dem Ende einer Welle 10a des Motors 10 auf und ab bewegt, sowie ein Gewicht 12 auf der Befestigungs-Spannvorrichtung 11.
An dem Ende der Welle 10a ist ein scheibenförmiges Stahlplättchen 13 konzentrisch befestigt, das an der äußeren Umfangsoberfläche geschliffen und mit Ölextraktion behandelt wurde. An der unteren Oberfläche der Befestigungs-Spannvorrichtung 11 ist eine Probe 14 befestigt, die mit Ölextraktion behandelt wurde und eine flache untere Endfläche besitzt, und die untere Endfläche steht mit der oberen Oberfläche des Plättchens 13 in Eingriff. Ein 1-kg-Gewicht 12 wird auf der oberen Oberfläche einer Befestigungs-Spannvorrichtung 11 befestigt und ein Motor 10 wird betrieben, um das Plättchen 13 mit einer festen Drehzahl zu drehen. Jedes Mal, wenn das Plättchen 13 auf der Probe 14 50 m weit geglitten ist, wird das Gewicht um 500 g erhöht, dies wird anhand der Drehung des Motors und eines Außendurchmessers des Plättchens bestimmt.
Die Prüfung ist beendet, wenn Festfressen und fressender Verschleiß zwischen der Probe 14 und dem Plättchen 13 auftreten oder wenn eine Gleitentfernung von 350 m erreicht wurde.
Die Ergebnisse der Prüfung werden in 3 dargestellt. Die Probe „A" bezeichnet eine gewöhnliche Titan-Aluminium-Legierung, deren Oberfläche nicht gehärtet wurde; „B" bezeichnet eine Titan-6-Aluminium-4-Vanadium-Legierung, auf der eine aufgekohlte Schicht ausgebildet ist; „C" bezeichnet eine Titan-6-Aluminium-2-Zinn-4-Zirkon-2-Molybdän-Legierung, auf der eine aufgekohlte Schicht ausgebildet ist; „D" bezeichnet eine Probe, die darüber hinaus eine oxidierte Schicht in „B" besitzt; und „E" bezeichnet eine Probe, die darüber hinaus eine oxidierte Schicht in „C" besitzt"
Wie in 3 dargestellt, erbringen hinsichtlich der Entfernung bis zum Auftreten von Festfressen die Proben „B" und „C", die nur eine aufgekohlte Schicht besitzen, bessere Leistungen als die nicht gehärtete Probe „A", und die Proben „D" und „E", die auf den Proben „B" und „C" zusätzlich eine oxidierte Schicht besitzen, erbringen erheblich bessere Leistungen. insbesondere die Probe „E", die aus Titan-6-Aluminium-2-Zinn-4-Zirkon-2-Molybdän besteht, weist gar kein Festfressen auf, selbst wenn sie 350 m gleitet, sie stellt eine signifikant hohe Verschleißfestigkeit bereit.
Wie oben beschrieben, ist in der vorliegenden Erfindung die oxidierte Schicht 4 nur auf Teilen ausgebildet, die mit einem anderen Ventilbetätigungselement in Eingriff treten, um eine Nadelkristallstruktur auszubilden, und die aufgekohlte Schicht 9 ist auf der gesamten Fläche des Ventilkörpers 3 ausgebildet, um die Verschleißfestigkeit und die Dauerfestigkeit insgesamt zu verbessern. Somit können die Verschleißfestigkeit und die Härte der Oberflächenschicht verbessert werden, ohne die Dauerfestigkeit des Ventilkörpers 3 selbst zu senken.
Es wird in Betracht gezogen, dass der Ventilkörper 3 direkt auf der Oberfläche oxidiert wird, es ist jedoch wegen der Reflexionsrate der Oberfläche schwierig, die oben genannte oxidierte Schicht zu erhalten, und die Behandlungszeit muss verlängert werden. Somit vergrößert sich der erhitzte Bereich und die Nadelkristallstruktur vermehrt sich, so dass die Dauerfestigkeit des Ventilkörpers sinkt.
Vor der Oxidation kann ein Kohlenstoffsprühfilm, der bei einer Laserstrahl-Verarbeitung genutzt wird, auf die Oberfläche des Ventilkörpers 3 aufgebracht werden. So wird selbst dann, wenn die aufgekohlte Schicht 9 dünn ist, ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorgenannten Ausführungsformen begrenzt. In der vorgenannten Ausführungsform wird die oxidierte Schicht 4 auf einem Teil ausgebildet, das ein anderes Ventilbetätigungselement berührt, und die untere Grenzschicht 4a wird als Nadelkristallstruktur ausgebildet. Nur die oxidierte Schicht 4 kann jedoch ohne eine derartige Nadelkristallstruktur ausgebildet werden.
In den vorgenannten Ausführungsformen besteht der Ventilkörper 3 aus einer Titanlegierung, die eine α-Phase, eine (α + β)-Phase oder eine (α + β)-Phase, die eine kleine Menge einer β-Phase enthält, umfasst, es kann aber auch eine Titanlegierung genutzt werden, die nur eine β-Phase enthält.
Verschiedene Modifikationen und Änderungen können von einer Person mit gewöhnlicher Erfahrung auf dem Gebiet der Technik vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der Ansprüche abzuweichen, worin:

Claims

Titanlegierung-Tellerventil, das aus einem Ventilkörper (3) besteht, der einen Ventilschaft (1) und einen Ventilkopf (2) an einem Ende des Ventilschafts umfasst, wobei eine oxidierte Schicht (4) auf einem Teil (6, 7, 8) des Ventilkörpers ausgebildet ist, der ein anderes Ventilbetätigungselement berührt, und auf der oxidierten Schicht eine aufgekohlte Schicht (9) auf einer Fläche des Ventilkörpers, die Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit erfordert, ausgebildet ist.
Titanlegierung-Tellerventil nach Anspruch 1, wobei das andere Ventilbetätigungselement einen Kipphebel, einen Nocken, einen Splint, eine Ventilführung oder einen Ventilsitz umfasst.
Titanlegierung-Tellerventil nach Anspruch 1, wobei die aufgekohlte Schicht auf der gesamten Fläche des Ventilkörpers ausgebildet ist.
Titanlegierung-Tellerventil nach Anspruch 1, wobei unter der oxidierten Schicht eine Nadelkristallstruktur ausgebildet ist.
Titanlegierung-Tellerventil nach Anspruch 1, wobei der Ventilkörper aus einer Titanlegierung besteht, die eine α-Phase, eine (α + β)-Phase oder eine (α + β)-Phase, die eine kleine Menge von β-Phase enthält, umfasst.