DK146376B - Fremgangsmaade til fremstilling af et ventillegeme til anvendelse i varme og korrosive omgivelser - Google Patents

Description

i 146376

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af et ventillegeme, der er indrettet til at samvirke med et sæde i varme og korrosive omgivelser, såsom røggas fra forbrænding af svær brændselsolie, ved hvilken der udformes et råemne 5 af en første korrosionsbestandig legering, at der i det område af råemnet, som er beregnet til at ligge an mod sædet, ved fusion påføres en belægning bestående af en anden korrosionsbestandig legering, der indeholder krom, hvorhos emnet afkøles lang-, somt.

10 Der kendes en fremgangsmåde af den i det foregående nævnte art fra beskrivelsen til USA patent nr.2.734.008. Denne patentbeskrivelse angår ventiler til brug i benzinmotorer. Råemnerne til ventillegemerne fremstilles af en første korrosionsbestandig stållegering, som fortrinsvis er af den type, der har et højt 15 krom- og nikkelindhold. Ifølge en foretrukket udførelsesform anvendes der til råemnerne i henhold til dette amerikanske patentskrift et stål med tilnærmelsesvis følgende sammensætning:

Kulstof 0,15-0,2%, mangan 0,90-1,30%, silicium 0,70-1,00%, nitrogen 0,15-0,25%, krom 20-22%, nikkel 10-12% og resten jern.

20 Råemnet indeholder altså over 60% jern. Den anden korrosionsbe-^ standige legering, som i henhold til denne kendte teknik ved fusion påføres råemnet i form af en belægning langs det område, som er beregnet til at ligge an mod sædet, består af en legering, som sædvanligvis benævnes som en 80/20 nikkel/kromlegering.

25 Som et typisk eksempel på en sådan legering er der i det amerikanske patentskrift nævnt følgende sammensætning: krom 19-21%, kulstof 0,15-0,30%, mangan 0,60-1%, silicium max. 0,30%, jern max. 1%, svovl max. 0,03% og resten nikkel.

Fastsvejsningen af 80/20-legeringen på råemnets ventilhoved 30 foregår ved, at råemnet først opvarmes til ca. 650°C indenfor det område, hvor belægningen skal anbringes. Derefter opvarmes emnet ved hjælp af en brænder, fortrinsvis under anvendelse af oxygen/acetylengas,og indtil emnet opnår en temperatur, ved hvilken det netop vil sammensmelte med 80/20 legeringen, der har et 35 smeltepunkt på tilnærmelsesvis 1400°C, hvilket er lidt mindre end smeltepunktet for den legering med højt krom/nikkelindhold, hvoraf ventilhovedet består. 80/20-legeringen opvarmes samtidigt med brænderen og påføres i smeltet tilstand, hvilket tillader, at 2 146376 gas, som måtte være til stede, kan stige op til overfladen af svejsningen under sammensmeltningstrinnet, samtidig med at det undgås, at ventilhovedets metal røres ind i 80/20-legeringen. Derved fremkommer der en svejsning mellem 80/20-legeringen og 5 ventilhovedet i det pågældende område af ventilhovedet, hvor 80/20-legeringen foreligger i kompakt tilstand og tilnærmelsesvis i ikke forurenet form. Efter at ventilen er blevet afkølet, maskinbearbejdes dens hoved således, at det svejsede område får en ren metalflade, der er parat til prægning. Derefter foretages 10 der en opvarmning til en temperatur på mellem ca. 985 og 1040°C, og der foretages en prægning under højt tryk for at fjerne uregelmæssigheder og forøge hårdheden. Efter belægningens anbringelse vil denne således stort set være uforandret lige med undtagelse af skillefladen mellem belægningen og råemnet, hvor sammensvejs-15 ning har fundet sted. En sådan 80/20-legering har efter prægnin gen en Rockwell-hårdhed, som ligger mellem C27 og C29, hvilket svarer til en Vickers-hårdhed af størrelsesordenen 292.

Når en motor tilføres svær olie, er det kendt, at forbrændingsprodukterne indeholder forskellige salte, f.eks. natrium-20 vanadater, og komplekse svovlforbindelser. Disse danner for skellige udfældninger, der medfører, at der bliver tvivl om den gode tæthed mellem anlægsfladerne på topstykkets sæder og på ventilsæderne. Desuden og alt efter, hvor høj temperaturen er, bevirker de en korrosion, som er særegen for dem. Grunden til, 25 at disse udfældninger er til fare for ventillegemernes effektive lukning, er, at disse udfældninger er meget hårde og derved let beskadiger ventilsæderne. De i det foregående nævnte hårdheder, hvad angår 80/20-legeringen på de nævnte kendte ventillegemer, er alt for lille til at tilvejebringe en knusning af så-30 danne urenheder.

Fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse er ejendommelig ved, at der som den første legering anvendes en legering, som indeholder overvejende nikkel og en mindre andel krom, og at der som den anden legering anvendes en legering, som 35 indeholder en dominerende andel kobolt med tilstrækkelig krom til at kompensere for niklets overskud over kromet i den første legering, hvorhos påføringen af den anden legering i det nævnte område gennemføres ved en temperatur på ca.3000°C til ved gensidig diffusion af bestanddelene i den første og den anden lege- 3 146376 ring i dette område at danne en tredie legering, som indeholder krom og nikkel i praktisk taget samme andele, hver af størrelsesordenen ca. 30 vægtprocent, at det færdige emne efter den langsomme afkøling af dette udsættes for en termisk homogeniserings-5 behandling, at den tredie legering derefter udsættes for en deformationsbearbejdning til formindskelse af kornsstørrelsen af den tredie legering og til en hærdning af strukturen af den tredie legering, samt at ventillegemet endelig udsættes for en modnings- eller ældningsbehandling ved en temperatur,som er højere 10 end ventillegemets arbejdstemperatur. Det har vist sig, at den på denne måde dannede tredie legering, der kommer til at udgøre det pågældende ventillegemes ventilsæde, har en overordentlig god korrosionsbestandighed ved ventillegemets arbejdstemperatur, samt ligeledes ved denne har en så stor hårdhed, at der kan til-15 vejebringes en knusning af de i det foregående omtalte afsætninger til sikring af en effektiv lukning af ventillegemet og en lang levetid af dettes sædeområde. Den dannede tredie legering med ca. 30 vægtprocent krom og ca. 30 vægtprocent nikkel har vist sig at have en hårdhed på helt op til ca. 525-560 Hv i 20 kold tilstand, hvilket langt overskrider de i det foregående angivne hårdheder, hvad angår en 80/20-nikkel-kromlegering.

Hertil bidrager den termiske homogeniseringsbehandling,idet denne sikrer den fornødne intime blanding af den første og den anden legering til dannelse af den tredie legering, og deforma-25 tionsbearbejdningen til formindskelse af kornstørrelsen af den tredie legering bevirker en forøgelse af korrosionsbestandighe-den, og det samme gælder modnings- eller ældningsbehandlingen, der medfører en strukturstabilisering, således at der undgås kornomlejringer og deraf følgende forøget fare for korrosion.

30 Ifølge en foretrukket udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen indeholder den legering, der anvendes som den første legering, i vægtprocent hensigtsmæssigt praktisk taget 30% krom og 61% nikkel, og den legering, der anvendes som den anden legering, indeholder praktisk i vægtprocent 35 51% kobolt, 32% krom, 14% wolfram, 2% niob og 1% kulstof.

Denne fremgangsmåde er let at styre, idet det vil forstås, at for at opnå et nikkelindhold på ca. 30% i den dannede tredie legering kræves der en oplegering af den første legering med 4 146376 den anden legering i forholdet ca. 1:1. Det vil sige, at den første legering skal opblandes med en mængde af den anden legering, der er tilnærmelsesvis lige så stor som mængden af den første legering. Hertil kommer, at legeringer med et kromindhold 5 på ca. 30% og et nikkelindhold på ca. 61% findes på markedet, og det samme gælder en legering med ca. 51% kobolt og 32% krom samt de øvrige nævnte tilsætningsstoffer.

Ifølge en yderligere foretrukket udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen består homogeniseringsbehandlingen 10 i at bringe det område på ventillegemet, som er beregnet til at ligge an mod sædet, en temperatur på ca. 3000°C til sikring af det påførte materiales gensmeltning. En sådan gensmeltning sikrer i høj grad den intime blanding af den første og den anden legering til tilvejebringelse af den tredie legering med de ønskede 15 egenskaber.

Ifølge en yderligere foretrukket udførelsesform for opfindelsen foretages deformationsbearbejdningen hensigtsmæssigt ved en temperatur, som er højere end ventillegemets arbejdstempera-tur og lavere end den temperatur, ved hvilken strukturen for 20 det emneområde, der er bestemt til at blive lagt an mod sædet, løsner sig. Det foretrækkes at udføre deformationsbearbejdningen indenfor det nævnte temperaturområde, idet dette indebærer en lettelse af selve deformationsbearbejdningen samtidig med, at . den derved opnåede hårdhedsforøgelse bliver optimal.

25 Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret i forbindelse med nogle udførelseseksempler for fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

I alle eksemplerne blev der anvendt råemner udformet med et ventilhoved med en diameter på 40 mm og en højde på 23 mm.

30 Sædet dannede en vinkel på 45° med den øverste plane overflade på ventilhovedet og var fastgjort til et ventilskaft med en diameter på 10 mm og en længde på 9 mm. Ventilsædet havde en notgang med en dybde på 5 mm og en bunddiameter på 30 mm. Alle råemnerne blev fremstillet af en korrosionsbestandig metallege-35 ring A med et indhold på ca. 62% nikkel, 30% krom, kulstof af størrelsesordenen 0,05% og spor eller bestanddele af forskellige andre materialer eller rester. Denne legering svarer til den, der markedsføres af det franske firma Aubert et Duval under be- 5 146376 nævnelsen "NIMONIC 80 EA3".

Der blev fremstillet seks serier råemner 1 til 6 til brug i de i det følgende angivne eksempler alle med form og dimensioner som tidligere angivet.

5 På alle råemnerne blev der påført en korrosionsbestandig metallegering B med et indhold på 51% kobolt, 32% krom, 14% wolfram, 1% kulstof og 2% niobium. Denne legering markedsføres af det franske firma Aubert et Duval under benævnelsen "ALLA-CRITE 52 T".

10 Alle råemnerne blev påført belægningen i notgangen ved lys- buesvejsning under en neutral atmosfære ved en temperatur af størrelsesordenen 3000°C. Påføringen blev foretaget efter for-varmning af råemnerne til en temperatur af størrelsesordenen 500°C.

15 I alle tilfældene viste en kemisk analyse af det belagte område, som blev opnået ved overførelse af de to legeringers bestanddele, at det belagte område var sammensat af 31% nikkel, 31% krom, 26% kobolt, 7% wolfram, 1% niobium, o,5% kulstof og spor af andre metaller eller urenheder.

20 Disse forskellige ventillegemeserier adskilte sig således kun fra hinanden ved deres fremstillingsfaser:

Eksempel 1: Råemnerne blev fremstillet ved smedning ved 1050°C ud fra cylindriske stykker af legeringen A. Disse emner blev udsat for en delvis færdigsmedning ved 1050°C og dernæst 25 efter afkøling bearbejdet til fremstilling af notgangen. Derpå blev en enkelt streng af legeringen B anbragt i notgangen manuelt og ved lysbuesvejsning. Efter langsom afkøling blev dette påførte materiale udsat for en anden homogeniseringssvejsning ved høj temperatur af størrelsesordenen 3000°C. De derved frem- 30 stillede ventillegemer blev udsat for en færdigsmedning ved 700°C til deformationsbearbejdning.

Eksempel 2: Dette blev gennemført nøjagtigt på samme måde som eksempel 1, men efter deformationsbearbejdningen blev ventillegemerne udsat for en modnings- eller ældningsbehandling 35 ved 700°C i 16 timer.

Eksempel 3; Smedningen af råemnerne ved 1050°C ud fra cylindriske stykker af legeringen A blev straks efterfulgt af en slut-smedning ved 1050°C. Notgangen blev tildannet, og legeringen B

6 146376 anbragt i denne notgang på samme måde som ved eksempel 1. Derpå blev der foretaget en langsom afkøling. Disse ventillegemer blev med andre ord hverken udsat for en homogenisering eller en deformationsbearbejdning af deres belagte· område.

5 Eksempel 4: Disse råemner blev fremstillet nøjagtigt som i eksempel 3, men blev desuden udsat for en modnings- eller ældningsbehandling ved 700°C i 16 timer.

Eksempel 5: Efter smedning af råemnerne ved 1050°C ud fra cylindriske stykker af legeringen A, delvis færdigsmedning ved 10 1050°C og tildannelse af notgangen ble^ en enkelt streng af lege ringen B manuelt anbragt i notgangen ved lysbuesvejsning. Umiddelbart efter og uden at gentage homogeniseringen af belægningszonen blev ventillegemerne udsat for en færdigsmedning ved 700°C til tilvejebringelse af deres deformationsbearbejdning.

15 Eksempel 6; Disse ventillegemer blev fremstillet på samme må de som ifølge eksempel 5, men blev udsat for en modnings- eller ældningsbehandling ved 700°C i 16 timer.

Efter fremstillingen blev de forskellige ventillegemer udsat for en grovbearbejdning af deres sæder.

20 Det skal bemærkes, at især i disse eksempler har forsøgene været rettet mod at løse problemet ved en ventil, der arbejder ved 650°C, Som følge deraf foregik deformationsbearbejdningen og modnings- eller ældningsbehandlingen ved en temperatur på 700°C, som altså er 50° højere end arbejdstemperaturen for det 25 pågældende ventillegeme.

Det er klart, at ved helt andre temperaturanvendelser for ventillegemerne tilpasses behandlingstemperaturerne for deformationsbearbejdningen og modnings- eller ældningsbehandlingen derefter.

30 Ventillegemerne, der er beskrevet i eksemplerne, blev udsat for korrosionsforsøg, under hvilke hvert af ventillegemerne blev anbragt i en beholder, der indeholdt en pulverblanding sammensat af natriumsulfat og natriummetavanadat af molprocenter på henholdsvis 14 og 86. Beholderen med ventillegemerne 35 dækket af den eutektiske blanding blev anbragt i en ovn for i to timer at blive holdt ved en konstant temperatur på 650°C svarende til arbejdstemperaturen for en ventil i en forbrændingsmotor.

7 146376

Efter at ventillegemerne fuldstændigt havde modstået det kunstige korrosionsmiljø i forsøgsperioden, blev de udsat for en anden serie forsøg i et mere korroderende miljø. Her blev den oprindelige blanding erstattet af ren vanadiumpentoxid.

5 Under samme forsøgsforhold som før, hvad angår varighed og temperatur, blev de forskellige ventillegemer ikke udsat for nogen synlig korrosion. Ventillegemerne blev derfor udsat for en ovntemperaturforøgelse i trin på 50°C. For at opnå et selektivt forsøgsresultat blev det nødvendigt at lade tempera-10 turen stige til 900°C.

Resultaterne af disse forsøg ses på vedføjede tabel, hvor der ud for hvert eksempel er angivet ventillegemernes fremstillingsmåde og deres målte hårdhed i kold tilstand efter fremstillingen.

15 Denne tabel viser, at ventillegemerne i eksemplerne modstår korrosionen væsentligt bedre, når deres belagte område har været udsat for en homogenisering af deres struktur og er blevet deformationsbearbejdet.

Disse eksempler har derimod ikke vist betydningen af mod-20 nings- eller ældningsbehandlingen, eftersom forsøgene er foregået over en for kort periode.

Det må imidlertid anses for sikkert, at modnings- eller ældningsbehandlingen er hensigtsmæssig til stabilisering af strukturen og til i tidens løb samt under ventillegemernes an-25 vendelse af opretholde strukturen, da denne stabilisering formindsker strukturændringer, som kan begunstige korrosionen mellem materialekornene og kan bevirke, at ventillegemerne bliver udsat for dimensionsvariationer, der kan bevirke en ringe ventillukning ved sædet og lokal ødelæggelse af ventillegemerne.

30 Tabellen viser også, at det bliver muligt ved homogeniserin gen samt deformationsbearbejdningen af det belagte område for de i eksemplerne anførte ventillegemers vedkommende at opnå en hårdhed i kold tilstand, som er meget tilfredsstillende og under alle omstændigheder langt højere end de ca. 300 Hv, som opnås 35 ved de sædvanlige fremgangsmåder, der ikke anvender disse to behandlinger, når lignende legeringsbehandlinger finder sted.

Det har altså vist sig, at fremgangsmåden ifølge opfindelsen gør det muligt at fremstille ventillegemer, hvis bestandighed i det lange løb såvel set fra et strukturmæssigt kemisk og 8 146376 mekanisk synspunkt, der langt større end ved de traditionelle ventiler, hvilket tillader at forlænge tidsrummet mellem to eftersyn eller reparationer og endog bevirke, at dette tidsrum får samme værdi som tidsrummet mellem eftersyn for en marinemotor.

5 Denne fordel er ret betydningsfuld, eftersom den bevirker en for mindskelse af den tid, fartøjer er ude af drift, og følgelig en væsentlig forbedring af deres rentabilitet og transportomkostninger.

9 146376 i Μ Ο

Αί 4J

φ Ο -Ρ Ρ κο χ χ ο ο χ χ ο ο χ χ γ- φ α> in tnti ο ο ΰ Ρ ι 5-1 Ο α: +>

(D

Ο -Ρ Ρ m X χ ο ο χ X ο ο χο r-i £0) ιο σΐΌ Ο Ο G Ρ Ρ ο Μ -Ρ in φ ^ χ ο ο χ χ χ X ο ο χ ^ -ΡΡ tnTi φ Ο £ Ρ Ρ ο Α! -Ρ Ο φ η χ οχχχχχο ο ο <Ν +J ρ m Φ Φ tn^i Φ ο £ Ρ •Η ω -ρ ο 0 Ρ 04 X ΧΟΧΧΧΧΧ X X VO ΡΙΗ m ρ μ 0 Ρ α; ο -Ρ [β -Η m 0Ρ ι-Ι X ΧΟΧΧΧΧΧ χο CM ΡΙΗ in ρω

Ο G

I Α* ο —. φ Ο θ' Λ ο υ ti ω ο 0 -Η tn _ u in cq ο g α *0 Ο ο tn ο τ! -η ι φ ο η G tn ο-τ-ιρ Η > lo tn nj G Φ Ti *>-l og τ) tn -η Όίΐ Ηϋ -P m γ-3-ρφ -ΡΡ Φ P SO _ Ο G > ο Φ tn > φ ο τ) Ο cm

TiTi GtnG ΦΡΟ Η 13. >

ΦΦ tn ο ·Η &ι ίΤΛ dll' 0 -Ρ W

> £ G η-ι η η G G ω η Ω Αί Φ « G

tnl ω -η Φ -&-H-PGHOH tJ ΟΦ G tn G n-ι Α! P G O Φ Φ W-rlfB ft Ρ

-η GtnUTi tn cd m Φ Φ -p > Ω ω ω r-l ·Ρ ·Ρ O Φ G (d tO Φ -Ρ I ft > S -H

Η h G'GoStn-rltn P g κ m tji «< a<«l O Φ .riTSPintQGCGEGtoHtnGiG & HP ft -Ρ Φ58οΐη·Η£-ΡΟΦίηΡΰ-Ρ Pi·'·' cno)

£ ω g ih ρ ·Η Η Ρ Ρ ω tn-HO-HH H *0 Q £ U

φ g ω> t) i, o 15 ¢1 O flU fifl P -PC Pi P0

ω φ PHT3 Ρ A! M-l M-i G £ Ρ 1) U G Q H (d ft -P O

Α! Ρ ΟιίΦΒΡΌ'ίβιϋΟΜΌΟιϋ H °<d -P O o H ft m-!aG>up td G! ft·—iaGmh -— S AG S £ ω ft cm cn

Claims (3)

146376 ίο Patentkrav.

1. Fremgangsmåde til fremstilling af et ventillegeme, der er indrettet til at samvirke med et sæde i varme og korrosive omgivelser, såsom røggas fra forbrænding af svær brændselsolie, 5 ved hv ilken der udformes et råemne af en første korrosionsbe standig legering, at der i det område af råemnet, som er beregnet til at ligge an mod sædet, ved fusion påføres en belægning bestående af en anden korrosionsbestandig legering, der indeholder krom, hvorhos emnet afkøles langsomt, kende te g-10 net ved, at der som den første legering anvendes en legering, som indeholder overvejende nikkel og en mindre andel krom, og at der som den anden legering anvendes en legering, som indeholder en dominerende andel kobolt med tilstrækkelig krom til at kompensere for nikkelets overskud over kromet i den første lege-15 ring, hvorhos påføringen af den anden legering i det nævnte område gennemføres ved en temperatur på ca. 3000°C til ved gensidig diffusion af bestanddelene i den første og den anden legering i dette område at danne en tredie legering, som indeholder krom og nikkel i praktisk taget samme andele, hver af størrelsesordenen 20 ca. 30 vægtprocent, at det færdige emne efter den langsomme afkøling af dette udsættes for en termisk homogeniseringsbehandling, at den tredie legering derefter udsættes for en deformationsbearbejdning til formindskelse af kornstørrelsen af den tredie legering og til en hærdning af strukturen af den tredie 25 legering, samt at ventillegemet endelig udsættes for en modnings- eller ældningsbehandling ved en temperatur, som er højere end ventillegemets arbejdstemperatur.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den legering, der anvendes som den første legering, i vægtpro- 30 cent indeholder praktisk taget 30% krom og 61% nikkel, og at den legering, der anvendes som den anden legering, i vægtprocent indeholder praktisk taget 51% kobolt, 32% krom, 14% wolfram, 2% niob og 1% kulstof.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 og 2, kendetegnet 35 ved, at homogeniseringsbehandlingen består i at bibringe det område på ventillegemet, som er beregnet til at ligge an mod sædet, en temperatur på ca. 3000°C til sikring af det påførte materiales gensmeltning.