DK173348B1 - Udstødsventil til en forbrændingsmotor - Google Patents

Description

i DK 173348 B1

Opfindelsen angår en udstødsventil til en forbrændingsmotor, navnlig en totakts krydshovedmotor, omfattende en bevægelig spindel med en ventiltallerken, der på sin overside hår et rundtgående sædeområde af en 5 anden legering end ventiltallerknens grundmateriale, hvilket sædeområde.i ventilens lukkede stilling ligger an mod et modsvarende sædeområde på en stationær ventilpart.

Udviklingen af udstødsventiler til forbrændings-10 motorer har i mange år haft til formål at forlænge ventilernes levetid og driftssikkerhed. Dette er hidtil sket ved at fremstille ventilspindlerne med varmkorro-sionsbestandigt materiale på tallerkenundersiden og et hårdt materiale på sædeområdet.

15 Sædeområdet er særlig kritisk for udstødsventilens driftssikkerhed, idet ventilen skal lukke tæt for at virke korrekt. Det er velkendt, at sædeområdets evne til at lukke tæt kan nedbrydes korrosivt i et lokalt område ved såkaldt gennembrænding, hvor der på tværs af den 20 rundtgående tætningsflade fremkommer en kanalformet fordybning, der gennemstrømmes af varm gas, mens ventilen er lukket. Denne svigttilstand kan i uheldige tilfælde dannes og udvikles til kassabel ventil i løbet af mindre end 80 timers drift, hvilket medfører, at det 25 ofte ikke er muligt at opdage det begyndende svigt ved sædvanlige tilstandseftersyn. Gennembrænding i ventilsædet kan derfor give uplanlagte driftsstop. Hvis motoren er fremdrivningsmotor i et skib, kan tilstanden initieres og udvikles til svigtende ventil under en enkelt 30 sejlads mellem to havne, hvilket kan give problemer under sejladsen og utilsigtet, kostbar liggetid i havnen.

Med henblik på at hindre gennembrænding af ventilsædet er der gennem en årrække udviklet mange for-35 skellige ventilsædematerialer med stadig større hård- 2 DK 173348 B1 heder for ved hjælp af hårdheden at gøre sædet slidbestandigt og mindske dannelsen af indtrykningsmærker. Indtrykningsmærkerne er en forudsætning for udvikling af en gennembrænding, idet mærkerne kan skabe en lille 5 utæthed, der gennemstrømmes af varm gas. Den varme gas kan opvarme materialet omkring utætheden til et temperaturniveau, hvor gassen med de aggressive bestanddele virker korrosivt nedbrydende på sædematerialet, så utætheden hurtigt vokser sig større og lækagestrømmen 10 af varm gas stiger, hvilket eskallerer nedbrydningen.

Udover hårdheden er sædematerialet også udviklet i retning af større varmkorrosionsbestandighed for at forsinke nedbrydningen efter fremkomsten af en lille lækage. De specielle krav til sædematerialet og de 15 herfra afvigende specielle krav til materialeegenskaber i andre områder af den bevægelige ventilpart nødvendiggør, at sædeområdet er af andet materiale end ventiltallerknens grundmateriale, hvilket også giver fremstillingsmæssige fordele. Der gives herefter en række 20 eksempler på kendte sædematerialer.

I W092/13179 er eksempelvis beskrevet anvendelsen af den nikkelbaserede legering Alloy 50, den cobolt-baserede legering Stellite 6 samt en nikkelbaseret legering, hvis væsentligste legeringselementer er 20-24% 25 Cr, 0,2-0,55% C og 4-7% Al. Det nævnes som et formål, at sædematerialeme er hårde for at mindske dannelsen af indtrykningsmærker.

I SE-B-422 338 beskrives en ventil til en forbrændingsmotor med et grundlegeme af en chromholdig 30 nikkellegering, som ved en temperatur på over 3000°C påføres en chromholdig coboltlegering, hvorefter emnet udsættes for mekanisk bearbejdning og en ældning ved en temperatur højere end arbejdstemperaturen. Et formål med dette er at forbedre sædematerialets korrosionsbestan-35 dighed og give dette stor hårdhed.

3 DK 173348 B1

Fra DK-B-165125 kendes en udstødsventil til en forbrændingsmotor med et sædeområde af en korrosionsresistent pålægningslegering omfattende 13-17% Cr, 2-6%

Al/ 0,1-8% Mo, 1,5-3,5% B, 0,5-3% Ti, 4-7% Co og resten 5 Ni. Der ønskes stor hårdhed af sædematerialet.

Fra US-A-4 425 300 kendes et svejst hårdpålægnings-legering, der omfatter 10-25% Cr, 3-15% Mo, 3-7% Si, 1-1,2% C, 1-30% Fe og resten Ni. Legeringen er uden porøsitet og har en hårdhed sammenlignelig med cobolt-10 baserede legeringer.

Fra EP-A-0529208 kendes en nikkel- og chromholdig hårdpålægningslegering til påsvejsning i ventilsædeområdet i en bilmotor. Legeringen indeholder 30-48% Ni, 1,5-15% W og/eller 1,0-6,5% Mo og resten er på mindst 15 40% Cr. W og Mo har en opløsnings forstærkende virkning på legeringen. C kan tilsættes i mængder fra 0,3-2,0% for øgning af hårdheden ved dannelse af carbider, og B kan tilsættes i mængder fra 0,1-1,5% for øgning af hårdheden ved dannelse af chromborider. Nb kan tilsættes 20 i mængder fra 1,0-4,0% for dannelse af hårdhedsøgende intermetalliske forbindelser samt carbider og borider.

Fra EP-A-0 521 821 kendes en ventil af NIMONIC 80A eller NIMONIC 81, der i sædeområdet er forsynet med et lag af INCONEL 625 eller af INCONEL 671 for derved at 25 give sædet større korrosionsresistens end NIMONIC-grundemnet. For legeringen INCONEL 671 nævnes, at den blot skal påsvejses, mens der for legeringen INCONEL 625 nævnes, at den efter svejsningen indeholder en dendri-tisk carbidstruktur, og at sædeområdet derfor skal 30 varmdeformeres for at homogenisere carbidfordelingen i strukturen, så korrosionsresistensen forbedres.

Bogen "Diesel engine combustion chamber materials for heavy fuel operation" udgivet i 1990 af The Institute of Marine Engineers, London samler i en række 35 artikler de indhøstede erfaringer for udstødsventilma- 4 DK 173348 B1 terialer og giver anbefalinger til, hvorledes ventiler bør udformes for at opnå lang levetid. Med hensyn til ventilsæderne giver artiklerne den entydige anvisning, at sædematerialet skal have stor hårdhed og være af et 5 materiale med god resistens mod varmkorrosion. En række forskellige, foretrukne materialer til udstødsventiler er beskrevet i bogens Paper 7 "The physical and mechanical properties of valve alloys and their use in component evaluation analyses", der blandt analysen af 10 materialernes mekaniske egenskaber indeholder en sammenlignende opstilling af materialernes f lydespændinger, der ses at ligge under ca. 820 MPa.

Det er ønskeligt at forlænge udstødsventilens levetid og navnlig at mindske eller undgå uforudsigelig 15 og hurtig udvikling af gennembrænding af ventilens sædeområde. Ansøgeren har udført forsøg med dannelse af indtrykningsmærker i sædematerialer og har i modstrid med den etablerede viden helt uventet kunnet konstatere, at sædematerialets hårdhed ikke har den store ind-20 flydelse på, om indtrykningsmærkerne opstår. Den foreliggende opfindelse har til formål at anvise sædematerialer, der griber hindrende ind i den mekanisme, der fører til dannelsen af indtrykningsmærker, hvorved den grundlæggende forudsætning for fremkomst af 25 gennembrænding svækkes eller fjernes.

Med henblik herpå er udstødsventilen ifølge opfindelsen ejendommelig ved, at sædeområdet på ventiltallerknens overside er af en legering, der ved en temperatur på omtrent 20°C har en flydespænding på 30 mindst 1000 MPa.

Indtrykningsmærker dannes af partikelformede forbrændingsrester, såsom kokspartikler, der mens udstødsventilen står åben strømmer fra forbrændings-kammeret op gennem ventilen og ud i udstødssystemet. Når 5 DK 173348 B1 ventilen lukker kan partiklerne komme i klemme mellem de lukkende tætningsflader på ventilsæderne.

Fra studium af talrige indtrykningsmærker på ventilspindler i drift er observeret, at nye indtryk-5 ningsmærker meget sjældent når helt frem til den øvre lukkerand, dvs. den rundtgående linie, hvor det stationære ventilsædes øvre afslutning bringes til anlæg mod det bevægelige, kegleformede ventilsæde. I praksis ender mærkerne omtrent 0,5 mm væk fra lukkeranden, hvilket 10 umiddelbart savner en forklaring, idet en partikel også kan forventes at blive klemt fast i dette område.

Det er nu erkendt, at fraværet af mærker umiddelbart op til lukkeranden skyldes, at kokspartikler og andre, endda meget hårde partikler knuses til pulver, 15 inden ventilen er helt lukket. En del af pulveret blæses bort samtidig med knusningen af partiklerne, fordi gassen fra forbrændingskammeret strømmer ud gennem spalten mellem de lukkende tætningsflader med tilnærmelsesvis lydhastighed. Den høje gashastighed blæser 20 pulveret nær lukkeranden bort, og fraværet af mærker ud til randen viser, at der sker pulverisering af så godt som alle partikler, der kommer i klemme mellem tætningsfladerne. Selv meget tykke partikler bliver ved knusningen og bortblæsningen af pulver reduceret i tykkelse, 25 og i praksis har de sammensunkne pulverbunker, der kan danne indtrykningsmærkerne, derfor en største tykkelse på 0,5 mm og en normal maksimal tykkelse på 0,3-0,4 mm.

Især i den nyeste motorudvikling, hvor maksimaltrykket kan ligge på 195 bar, kan belastningen på 30 tallerknens underside svare til op til 400 tons. Når udstødsventilen er lukket, og trykket i forbrændingskammeret stiger til maksimaltrykket, trykkes tætningsfladerne fuldstændig sammen omkring en indeklemt pulverbunke. Dette.kan ikke hindres, uanset hvor hårde 35 sæderne laves.

6 DK 173348 B1 Når forbrændingen af brændslet starter og trykket i cylinderen og dermed belastningen på ventiltallerknen stiger, begynder den indesluttede pulverbunke at vandre ind i de to tætningsflader, samtidig med at sædemateria-5 lerne deformeres elastisk. I løbet af denne elastiske deformation stiger fladetrykket mellem pulverbunken og tætningsfladerne, hvilket som regel får pulverbunken til at deformeres ud på et større areal. Hvis pulverbunken er tilstrækkelig tyk, fortsætter den elastiske deforma-10 tion, indtil trykket i pulverbunkens kontaktareal når op på flydegrænsen for det sædemateriale, der har lavest flydespænding, hvorefter dette sædemateriale deformeres plastisk, og indtrykningsmærket begynder at blive dannet. Den plastiske deformationen kan medføre en 15 stigning af flydespændingen som følge af deformations-hærdning. Hvis de to sædelegeringer i lokalområdet omkring pulverbunken derved opnår ens flydespænding, begynder pulverbunken også plastisk at deformere det andet sædemateriale.

20 Hvis dannelsen af indtrykningsmærker skal modvir kes, kan dette som nævnt ikke ske ved at lave sædelegeringerne hårdere, de skal i stedet laves fjedrende, hvilket opnås ved at fremstille sædeområderne med stor flydespænding. Den større flydespænding giver en dobbelt 25 virkning. For det første kan sædematerialet af en legering med større flydespænding udsættes for større elastisk tøjning og dermed optage en tykkere pulverbunke, inden der sker plastisk deformation. Den anden, væsentlige virkning er knyttet til tætningsfladernes 30 overfladekarakter i områderne ud for pulverbunken. Den indtrykningsprofil, der er dannet af den elastiske deformation, er jævn og glat og fremmer udbredelsen af pulverbunken til større diameter, hvilket dels reducerer pulverbunkens tykkelse, dels nedsætter spændingerne i 35 kontaktarealet som følge af det større kontaktareal. Ved 7 DK 173348 B1 overgangen fra elastisk til plastisk deformation skabes der hurtigt en dybere og mere irregulær indtrykningsprofil, som uhensigtsmæssigt vil forankre pulverbunken og dermed virke forhindrende på en yderligere fordelagtig 5 forstørrelse af bunkens diameter.

Forsøg har vist, at der i en udstødsventil mellem to sædeområder af legeringer med en nedre grænse for flydespændingen på 1000 MPa kan optages en pulverbunke med en tykkelse på omkring 0,14 mm uden plastisk 10 deformation af tætningsfladerne. En stor andel af de partikler, der kommer i klemme mellem sædefladerne, vil knuses til en tykkelse på omkring 0,15 mm. Udstødsventilen ifølge opfindelsen hindrer en mærkbar andel af partiklerne i at danne indtrykningsmærker, fordi 15 sædefladen blot fjedrer tilbage til sin oprindelige facon, når ventilen åbner, og samtidig blæses resterne af den knuste partikel bort fra sædefladerne.

Af hensyn til forøgelse af sædeområdets elastiske egenskaber foretrækkes, at sædeområdets legering har en 20 flydespænding på mindst 1100 MPa, fortrinsvis mindst 1200 MPa. De aktuelle sædelegeringers elasticitetsmodul (Young's modul) er i det væsentlige uændret med stigende flydespænding, hvilket giver en tilnærmelsesvis lineær sammenhæng mellem flydespændingen og den største 25 elastiske tøjning. Af ovenstående angivelser ses, at en sædelegering med en flydespænding på 2500 MPa eller mere ville være ideelt, fordi det med ren elastisk deformation ville kunne optage de pulverbunker, der har de normalt størst forekommende bunketykkelser. For nuværen-30 de er der dog ikke kendskab til egnede legeringer med så høj flydespænding. Det vil fremgå af nedenstående omtale, at nogle af de idag gængse sædelegeringer vil kunne fremstilles på en måde, som bringer flydespændingen op på mindst 1100 MPa. Denne 10% større flydespæn-35 ding vil alt andet lige give mindst 10% formindskelse 8 DK 173348 B1 af dybden af eventuelle indtrykningsmærker. Den hensigtsmæssige grænse på 1200 MPa er for de fleste partikeltyper tilstrækkelig høj til at give en mærkbar formindskelse af bunketykkelsen og kan følgelig give en 5 formindskelse af indtrykningsmærkernes dybde på op til 30%, men samtidig indsnævres antallet af mulige legeringer. Tilsvarende gælder for sædelegeringer med en flydespænding på mindst 1300 MPa.

I en særlig foretrukken udførelsesform har sædeom-10 rådets legering en flydespænding på mindst 1400 MPa.

Denne f lydespænding er næsten dobbelt så stor som flydespændingen af de for nuværende anvendte sædelegeringer, og på basis af den foreliggende forståelse af mekanismen i trykmærkernes dannelse antages, at legerin-15 gen med denne høje flydespænding stort set vil eliminere problemer med gennembrænding af sædeområder. Dybden af de få trykmærker, der vil kunne dannes i denne sædelegering, vil være for lille til at lækagegas kan strømme gennem indtrykningsmærket i tilstrækkelig store mængder, 20 til at sædematerialet opvarmes til en temperatur, hvor varmkorrosionen bliver virksom.

I en udførelsesform har sædeområderne på henholdsvis den stationære part og ventiltallerknen hovedsagelig ens flydespænding ved sædeområdernes drifts-25 temperaturer. De stort set ens flydespændinger af de to sædematerialer medfører, at begge tætningsflader vil deformeres på nogenlunde samme måde, når pulverbunken presses ind i fladerne, hvilket mindsker den resulterende plastiske deformation i hver af fladerne. Det statio-30 nære sædeområde er koldere end sædeområdet på spindlen, hvilket betyder, at sædematerialet på spindlen bør have størst flydespænding ved omtrent 20°C, idet flydespæn-dingen for mange legeringer falder med stigende temperatur. Denne udførelsesform er særlig fordelagtig, hvis 9 DK 173348 B1 .....det stationære sædeområde er af en varmkorrosions- resistent legering.

Hvis det stationære sædeområde er af hærdet stål eller støbejern, foretrækkes at sædeområdet på den 5 stationære part har væsentlig større flydespænding end sædeområdet på ventiltallerknen ved sædeområdernes driftstemperaturer. Med denne udformning vil eventuelle indtrykningsmærker dannes på ventilspindlen. Dette giver to fordele. For det første er sædeområdet på spindlen 10 normalt af en varmkorrosionsresistent legering, så et eventuelt indtrykningsmærke har vanskeligere ved at udvikle sig til en gennembrænding, end hvis mærket befandt sig på den stationære part. For det andet roterer spindlen, så mærket ved hver ventillukning vil 15 befinde sig ved en ny position på den stationære tætningsflade, og dermed fordeles varmepåvirkningen på det stationære sædeområde.

Herefter omtales forskellige legeringer, der ifølge opfindelsen er anvendelige som ventiIsædelegering. Det 20 bemærkes, at NIMONIC og INCONEL er varemærker tilhørende INCO Alloys, og at Udimet er et varemærke tilhørende Special Metals Inc.

Sædeområdets legering kan være en nikkelbaseret, chromholdig legering, der indeholder en vægtandel på 25 mindst 10% af opløsningsforstærkende bestanddele, såsom Mo, w, Co, Hf, Fe og/eller Cr, hvor legeringen er svejst på ventiltallerknen og derefter er legeringens flyde-spænding øget til en værdi større end nævnte nedre grænse ved kolddeforme ring af materialet ved en tempera-30 tur lavere end eller omkring legeringens rekrystalli-sationstemperatur. Som eksempler på legeringer af denne type kan nævnes følgende. IN 625 har efter svejsning en flydespænding på ca. 450 MPa, men efter mindst 27% kolddeformation er flydespændingen ca. 1000 MPa, og 35 efter 40% kolddeformation ca. 1100 MPa. IN 671 har en 10 DK 173348 B1 flydespænding på ca. 4 90 MPa i svejst tilstand, og efter en kolddeformation på mellem 30 og 40% kan f lydespændingen bringes over 1000 MPa. IN 690 har efter svejsningen en flydespænding på ca. 500 MPa, og efter en kolddefor-5 mation på omtrent 45% er denne legerings flydespænding hævet til ca. 1035 MPa. IN 718-lignende legeringer har ligeledes en flydespænding på omtrent 500 MPa efter svejsningen, og efter en kolddeformation på mindst 35% er flydespændingen bragt lige op over 1000 MPa. Det er 10 dog ikke alle IN 718-lignende legeringer, der udviser kraftig stigning af f lydespændingen ved kolddeforme ring eller varmebehandling, hvilket omtales nærmere nedenfor.

For de legeringer, der indeholder Nb og/eller Ta kan der efter kolddeformeringen opnås en yderligere 15 øgning af legeringens flydespænding ved hjælp af en udskillelseshærdnende varmebehandling. Tilsvarende gælder for de legeringer, der indeholder Al og Ti, men de kræver normalt en finjustering af disse to bestanddele og er endvidere behæftet med den mindre ulempe, at 20 det efter svejsningen kan være nødvendigt at foretage en opløsningsglødning med efterfølgende varmebehandling for at muliggøre ko ldde former i ngen, idet Al og Ti virker udskillelseshærdnende allerede ved svejsningen.

Alternativt kan sædeområdets legering være en 25 nikkelbaseret, chromholdig legering, der indeholder Nb og/eller Ta, hvor legeringen er svejst på ventiltallerknen, hvorefter dens flydespænding er øget til en værdi større end nævnte nedre grænse ved hjælp af en udskillelseshærdnende varmebehandling. Et eksempel på en sådan 30 legering, der har mulighed for at opnå den store flydespænding uden kolddeformering, er Rene 220. Efter svejsningen har denne legering lav flydespænding, men ved passende varmebehandling kan flydespændingen på fremstillingsmæssig nem vis bringes væsentligt op over 35 1000 MPa. NIMONIC Alloy PK31 og IN 718-lignende legerin- DK 173348 B1 u ger kan ved varmebehandling uden kolddeformation gives flydespændinger på væsentligt over 1000 MPa.

Et yderligere alternativ, der heller ikke involverer kolddeformering er, at sædeområdets legering 5 er en nikkelbaseret, chromholdig legering, der indeholder en vægtandel på mindst 10% af opløsningsforstærkende bestanddele, såsom Mo, W, Co, Hf, Fe og/eller Cr, samt udskillelseshærdende bestanddele, såsom Nb, Ta,

Al og/eller Ti, og at legeringen er svejst på ventiltal-10 lerknen og derefter er dens flydespænding øget til en værdi større end nævnte nedre grænse ved hjælp af en udskil le lseshærdnende varmebehandling. Da disse legeringer indeholder opløsningsforstærkende bestanddele har de tendens til øgning af flydespændingen, hvis dé i 15 praksis udsættes for plastisk deformation af en pulverbunke .

I en anden udførelsesform er sædeområdets legering en nikkelbaseret, chromholdig legering, der omfatter mindst en bestanddel, udvalgt blandt Co, Mo, Hf, Fe, W, 20 Ti, Nb, Ta, Al, og i det mindste sædeområdet er fremstillet ved hjælp af en HIP-proces, eventuelt med en efterfølgende varmebehandling, der kan give kontrolleret udskillelseshærdning, typisk en opløsningsglødning efterfulgt af bratkøling og udskillelseshærdning. Blandt 25 særligt anvendelige legeringer kan her nævnes IN 100, der efter HIP-processen har en flydespænding på ca. 1300 MPa ved omkring 20°C og endvidere er særlig fordelagtig ved at flydespændingen bevares meget høj ved spindlens driftstemperatur, således er flydespændingen ca.1285 MPa 30 ved 650°C. Merl 76 har efter HIP-processen en flydespænding på ca. 1200 MPa, og Udimet 700 har en tilsvarende høj flydespænding. Rene 95 er også velegnet og har efter HIP-processen en flydespænding på ca. 1230 MPa, der falder til ca. 1160 MPa ved 500°C. Legeringen NIMONIC 35 Alloy 105 er også anvendelig, eventuelt med en mindre 12 DK 173348 B1 modificering af de bestanddelene, der danner carbo-nitridforbindelser og oxidforbindelser, der efter HIP-processen kan danne sammenhængende kæder af sprøde forbindelser, såkaldte PPB (Prior Particle Boundaries).

5 I det omfang disse legeringer indeholder opløsningsforstærkende bestanddele kan flydespændingen øges yderligere ved en kolddeformering. HIP-processen kan desuden suppleres med smede- og ekstruderingsprocesser. Som alternativ til HIP-processen kan også anvendes andre 10 pulvermetallurgiske kompakteringsprocesser med de ovennævnte sædelegeringer.

I endnu en udførelsesform er sædeområdets legering en nikkelbaseret, chromholdig legering, der omfatter mindst en bestanddel udvalgt blandt Co, Mo, W, Hf, Fe, 15 Ti, Nb, Ta, Al, hvor sædeområdet er fremstillet ved hjælp af enten støbning eller pulvermetallurgisk påførsel efterfulgt af en termomekanisk smedning, rulning eller bankning ved en temperatur lavere end eller omkring legeringens rekrystallisationstemperatur 20 og med en deformationsgrad af sædeområdet, der øger flydespændingen af dettes legering til en værdi større end nævnte nedre grænse. Den pulvermetallurgiske påførsel kan eksempelvis være termisk påsprøjtning af partikel- eller pulverformigt udgangsmateriale på et 25 spindelgrundemne, og den termomekaniske smedning kan omfatte en kolddef orme ring af det påsprøjtede materiale.

Det foretrækkes, at kolddeformeringen foregår ved en såpas hævet temperatur, at der undgås udskillelseshærdning i en grad, der er generende for deformations-30 processen. Sædeområdet kan eksempelvis være af en IN 718-lignende legering, der kan være udsat for en deformationsgrad på mindst 35%. Sædeområdet kan også være af INCONEL Alloy X-750, der er varmdeformeret og udskillelseshærdet til en flydespænding på omtrent 1110 35 MPa. Hvis legeringen indeholder udskillelseshærdende 13 DK 173348 B1 bestanddele af ovennævnte art, er det endvidere muligt at øge flydespændingen yderligere med en udskillelses-hærdnende varmebehandling.

Særligt fordelagtige legeringer til sædeområdets 5 legering omfatter 10-25% Cr, højst 25% Co, højst 10%

Mo+W, højst 11% Nb, højst 20% Ta, højst 3% Ti, højst 0,55% Al, højst 0,3% C, højst 1% Si, højst 0,015% P, højst 0,015% S, højst 3% Mn, højst 25% Fe og resten Ni, og fortrinsvis er bestanddelene Al, Ti og Ni afgrænset 10 til højst 0,5% Al, 0,7-3% Ti og 52-57% Ni, hensigtsmæssigt er indholdet af Nb + Ta/2 mindst 3%.

Valget af legering og den deraf følgende fremstillingsproces kan influeres af udstødsventilens størrelse, idet mange procents kolddeformation kan kræve kraftige 15 værktøjer, når ventiltallerknen er stor» eksempelvis med yderdiameteren beliggende i intervallet fra 130 mm til 500 mm.

Den foreliggende opfindelse angår endvidere anvendelsen af en_nikkelbaseret, chromholdig legering 20 med en flydespænding ved omtrent 20°C på mindst 1000 MPa som indtrykningsmærkebegrænsende eller -hindrende materiale i et rundtgående sædeområde på oversiden af en bevægelig ventiltallerken i en udstødsventil til en forbrændingsmotor, navnlig en totakts krydshovedmotor, 25 hvilket sædepmråde_er af en anden legering end ventiltallerknens grundlegering og ligger an mod et modsvarende sædeområde på en stationær ventilpart, når ventilen er lukket. De særlige fordele ved at anvende en sådan indtrykningsmærkebegrænsende legering fremgår af 30 ovenstående forklaring.

Eksempler på udførelsesformer for opfindelsen beskrives herefter nærmere med henvisning til den stærkt skematiske tegning, hvor fig. 1 viser et længdesnit gennem en udstødsventil 35 ifølge opfindelsen, 14 DK 173348 B1 fig. 2 et udsnit af de to sædeområder med indtegning af et typisk indtrykningsmærke, fig. 3-6 udsnit af de to sædeområder med illustration af partikelknusningen og de indledende trin i 5 dannelsen af et indtrykningsmærke, fig. 7 og 8 forstørrede udsnit af dannelsen af indtrykningsmærket, og fig. 9 et tilsvarende billede af fladerne umiddelbart efter genåbning af ventilen.

10 I fig. 1 ses en generelt med 1 betegnet udstødsven til til en stor totakts forbrændingsmotor, der kan have cylinderdiametre beliggende i intervallet fra 250 til 1000 mm. Udstødsventilens stationære ventilpart 2, kaldet bundstykket, er monteret i et ikke vist cylin-15 derdæksel. Udstødsventilen har en bevægelig spindel 3, der ved sin nedre ende bærer en vent il tallerken 4 og ved sin øvre ende på velkendt vis er forbundet med en hydraulisk aktuator til åbning af ventilen og en pneumatisk returfjeder, der tilbagefører spindlen til 20 lukket stilling. I fig. 1 er ventilen vist i delvis åben stilling.

Undersiden af ventiltallerknen er forsynet med et lag af varmkorrosionsresistent materiale 5. Et rundt-gående sædeområde 6 på oversiden af ventiltallerknen 25 ligger i en afstand fra tallerknens yderrand og har en kegleformet tætningsflade 7. Ventiltallerknen til den store totakts krydshovedmotor kan afhængigt af cylinderboringen have en yderdiameter beliggende i intervallet fra 120 til 500 mm.

30 Den stationære ventilpart er ligeledes forsynet med et let fremstående sædeområde 8, der danner en rundt-gående kegleformet tætningsflade 9, der i ventilens lukkede stilling ligger an mod tætningsfladen 7. Da ventiltallerknen ændrer facon ved opvarmningen til 35 driftstemperaturen, er sædeområdet udformet således, at 15 DK 173348 B1 de to tætningsflader er parallelle ved driftsvarm ventil, hvilket betyder, at tætningsfladen 7 på en kold ventiltallerken først træder mod tætningsfladen 9 ved dennes øvre rand 10 beliggende længst væk fra for-5 brændingskammeret.

I fig. 2 ses et typisk indtrykningsmærke 11, der ender ca. 0,5 mm væk fra lukkeranden på tætningsfladen 7, dvs. den cirkelkurve, hvor den øvre rand 10 rammer tætningsfladen 7 som antydet ved den lodrette punkterede 10 linie.

I fig. 3 ses en hård partikel 12, der umiddelbart inden ventilen lukker helt fanges mellem de to tætnings-flader 7, 9. Ved den fortsatte lukkebevægelse knuses partiklen til pulver, hvoraf en betydelig del rives med 15 af den gas, der med lydhastighed strømmer op mellem sæderne som vist ved pilen A i fig. 4. En del af pulveret fra den knuste partikel vil låses fast mellem tætningsfladerne 7, 9, fordi partiklerne nærmest fladerne fastholdes af friktionskræfter, og partiklerne 20 i mellemrummet fastholdes af forskydningskræfterne i pulveret. Der fremkommer derved modstående kegleformede pulverbunker, der vender med spidserne mod hinanden. Den hidtidige antagelse om, at en fast partikel klemmes fast mellem sædefladerne er således ikke korrekt. Der sker 25 i stedet en formindskelse af den materialemængde, der fanges mellem sæderne, i og med at en del af pulveret blæser væk.

Ved den fortsatte lukkebevægelse bryder de kegleformede pulveransamlinger sammen og udbredes i fladernes 30 plan til et linseformet pulverlegeme eller en pulverbunke, som vist i fig. 5. Dette linseformede pulverlegeme har vist sig at have en største tykkelse på 0,5 mm og en normaltykkelse for de største ansamlinger på mellem 0,3 og 0,4 mm.

16 DK 173348 B1

Fig. 6 viser situationen, når ventilen er lukket, men inden trykket i forbrændingskammeret stiger som følge af forbrændingen af brændslet. Luftfjederen er ikke i sig selv kraftig nok til i området omkring 5 pulverlegemet at trække tætningsfladen 7 helt an mod tætningsfladen 9.

Når trykket i forbrændingskammeret stiger efter brændslets antændelse, vokser den opadrettede kraft på tallerkenundersiden kraftigt, og tætningsfladerne 10 presses nærmere hinanden samtidig med, at pulverlegemet begynder at deformere tætningsfladerne elastisk. Hvis pulverlegemet er tilstrækkelig tykt og materialets flydespænding ikke er tilstrækkelig høj, vil den elastiske deformation gå over i plastisk deformation, 15 så indtrykningen bliver blivende. Fig. 7 viser en situation, hvor det stationære sædeområde 8 har højest flydespænding, og hvor sædeområdet 6 på tallerknen er deformeret elastisk til lige under sin flydegrænse. Ved den fortsatte sammentrykning til den i fig. 8 viste helt 20 sammenpressede stilling af tætningsfladerne synker pulverlegemet ind i tætningsfladen, idet sædematerialet deformeres plastisk.

Når ventilen genåbner, blæses partiklerne som vist i fig. 9 bort af den udstrømmende gas, og samtidig 25 fjedrer sædematerialeme tilbage til ubelastet tilstand.

I det omfang, at der er sket plastisk deformation af den ene eller begge sædefladerne, vil der i tætningsfladen være et blivende indtrykningsmærke 11 med mindre dybde end den største indtrykning frembragt af pulverlegemet.

30 Jo højere flydespænding sædematerialet har, jo mindre vil indtrykningsmærket være.

Herefter omtales eksempler for analyser for egnede sædematerialer. Alle angivelser er i vægtprocent og bortset fra uundgåelige forureninger. Det bemærkes også, 35 at der ved angivelser af flydespændinger i nærværende 17 DK 173348 B1 beskrivelse menes flydespændinger ved en temperatur på omtrent 20°C, medmindre anden temperatur er anført. Legeringerne er chromholdige nikkelbasislegeringer (eller nikkelholdige chrombasislegeringer), og disse har 5 den egenskab, at der ikke er nogen egentlig sammenhæng mellem legeringens hårdhed og dens flydespænding, men derimod antagelig en sammenhæng mellem hårdheden og trækspændingen. Når der for disse legeringer tales om flydespænding, menes den spænding, der fremkaldes af en 10 tøjning på 0,2 (Rp0 2) .

Legeringen IN 625 omfatter 20-23% Cr, 8-10% Mo, 3,15-4,15% Ta+Nb, højst 5% Fe, højst 0,1% C, højst 0,5%

Mn, højst 0,5% Si, højst 0,4% Al, højst 0,4% Ti, højst 1,0% Co, højst 0,015% S, højst 0,015 P og resten på 15 mindst 58% Ni. Legeringens flydespænding kan forøges ved hjælp af plastisk deformation og tildels også ved udski1lelseshærdning.

Legeringen IN 671 omfatter 0,04-0,08% C, 46-49% Cr, 0,3-0,5% Ti og resten Ni. Legeringens flydespænding kan 20 forøges ved hjælp af plastisk deformation og ved udskillelseshærdning.

Legeringen IN 690 omfatter 27-30% Cr, 7-11% Fe, højst 0,05% C, eventuelt små mængder af Mg, Co, Si og resten på mindst 58% Ni. Legeringens flydespænding kan 25 forøges ved plastisk deformation.

Den IN 718-lignende legering omfatter 10-25% Cr, højst 5% Co, højst 10% Mo+W, 3-12% Nb+Ta, højst 3% Ti, højst 2% Al, højst 0,3% C, højst 1% Si, højst 0,015% P, højst 0,015% S, højst 3% Mn, 5-25% Fe og resten Ni.

30 Denne legering er speciel derved, at mulighederne for at forøge flydespændingen er stærkt afhængig af mængderne af de enkelte bestanddele, navnlig Al, Ti, Ni og Nb, idet især Al-indholdet har indflydelse. Hvis indholdet af Al er større end 0,55% påvirkes flydespændingen i 35 negativ retning. Indholdet af Al bør holdes mindre end 18 DK 173348 B1 0,5%. Hvis flydespændingen ønskes forøget ved hjælp af udskillelseshærdning, bør indholdet af Nb+Ta være større end 4%, fortrinsvis større end 7%, og indholdet af Ti bør være større end 0,7%, fortrinsvis beliggende i 5 intervallet fra 0,95% til 2%. Indholdet af Ni kan samtidig med fordel være beliggende i intervallet 47-60%, fortrinsvis 52-57%. Hvis flydespændingen ønskes forøget ved plastisk deformation bør indholdet af Co og Mo+W vælges i den øvre halvdel af de ovennævnte inter-10 valler. Hvis legeringen med valg af bestanddelene inden for de ovennævnte foretrukne intervaller både deformeres plastisk med for eksempel mere end 50% og udskillelses-hærdes kan flydespændingen bringes op på mere end 1600 MPa.

15 Legeringen NIMONIC Alloy 105 har en nominel analyse på 15% Cr, 20% Co, 5% Mo, 4,7% Al, højst 1% Fe, 1,2% Ti og resten Ni.

Legeringen Rene 220 omfatter 10-25% Cr, 5-25% Co, højst 10% Mo+W, højst 11% Nb, højst 4% Ti, højst 3% Al, 20 højst 0,3% C, 2-23% Ta, højst 1% Si, højst 0,015% S, højst 5% Fe, højst 3% Mn og resten Ni. Nominelt indeholder Rene 220 0,02% C, 18% Cr, 3% Mo, 5% Nb, 1% Ti, 0,5% Al, 3% Ta og resten nikkel. Med deformering kombineret med udskillelseshærdning kan der i dette 25 materiale opnås særdeles høj flydespænding. Med en deformationsgrad på 50% ved 955°C bliver flydespændingen ca. 1320 MPa, med en deformationsgrad på 50% ved 970°C bliver flydespændingen ca. 1400 MPa, med en deformationsgrad på 50% ved 990°C bliver flydespændingen ca.

30 1465 MPa og med en deformationsgrad på 25% ved 970°C bliver flydespændingen ca. 143 0 MPa. Der er her anvendt udskillelseshærdning i 8 timer ved 760°C efterfulgt af 24 timer ved 730°C og 24 timer ved 690°C.

19 DK 173348 B1

Legeringen NIMONIC PK31 omfatter nominelt 0,04% C, 20% Cr, 2,3% Ti, 0,45% Al, 14% Co, 4,5% Mo, 5% Nb, højst 1% Fe og muligvis små mængder Si, Cu, Mg, og resten Ni.

Legeringen Merl 76 har den nominelle analyse 0,015% 5 C, 11,9% Cr, 18% Co, 2,8% Mo, 1,2% Nb, 0,3% Hf, 4,9% Ti, 4,2% Al, 0,016% B, 0,04% Zr og resten Ni.

Legeringen Udimet 700 har den nominelle analyse 0,15% C, 15% Cr, 18,5% Co, 5,3% Mo, 4,2% Ti, 3,5% Al, højst 1% Fe og resten Ni.

10 Legeringen Rene 95 omfatter højst 0,08% C, 11,8- 14,6% Cr, 7,5-8,5% Co, 3,1-3,9% Mo, 3,1-3,9% W, 3,1-3,9%

Nb, 3,1-3,9% Ti, 2,1-3,1% Al, højst 0,02% B, højst 0,075% Zr og resten Ni.

Med hensyn til angivelserne af nominelle analyser 15 er det klart, at der i praksis afhængigt af de faktisk producerede legeringer kan naturligvis forekomme afvigelser fra den nominelle analyse, ligesom der for alle analyserne også kan forekomme uundgåelige urenheder.

Det er velbeskrevet i den tekniske litteratur, 20 hvorledes de forskellige legeringer skal varmebehandles for at fremkalde udskillelseshærdning, ligesom også varmebehandlingen for opløsningsglødning og legeringernes rekrystallisationstemperaturer er velkendte. Der vil derfor herefter kun blive beskrevet nogle få eksempler. 1 2 3 4 5 6

Rene 220: 2

Der blev på et grundemne af austenitisk rustfrit stål 3 AISI 316 og ved hjælp af PTAW påsvejst fire lag med et 4 svejsepulver af følgende analyse: 0,03% C, 20,2% Cr, 5 2,95% Mo, 11,7% Co, 1,2% Ti, 5,05% Nb, 3,1% Ta, og 6 resten Ni. Emnet med den således pålagte legering ifølge opfindelsen blev efterfølgende varmebehandlet i 4 timer ved 775°C samt i 4 timer ved 700°C. Af grundemnet blev udtaget to sædvanlige trækprøveemner, og trækprøvningen viste en flydespænding RpQ 2 på hhv. 1138 MPa og 1163 20 DK 173348 B1 MPa. Derefter blev et tilsvarende fremstillet grundemne varmebehandlet i 4 timer ved 750°C efterfulgt af 8 timer ved 700°C. Ved trækprøvningen blev flydespændingerne af to emner målt til hhv. 1074 MPa og 1105 MPa. Derefter 5 blevet tilsvarende fremstillet grundemne varmebehandl et i 8 timer ved 750°C efterfulgt af 4 timer ved 700°C. Ved trækprøvningen blev flydespændingerne af to emner målt til hhv. 1206 MPa og 1167 MPa. Endelig blev et tilsvarende fremstillet grundemne varmebehandlet i 4 timer 10 ved 800°C efterfulgt af 8 timer ved 700°C. Ved trækprøvningen blev flydespændingerne af to emner målt til hhv. 1091 MPa og 1112 MPa.

I de tilfælde, hvor flydespændingen ønskes forøget ved hjælp af kolddeformering af materialet kan dette på 15 velkendt vis eksempelvis ske ved hjælp af rulning eller smedning af sædeområdet eller på anden vis, såsom bankning eller hamring heraf, hvorefter sædets tætnings-flade tilslibes. Hvis legeringen indeholder udskillelseshærdende bestanddele kan kolddeformeringen som nævnt 20 ovenfor passende ske ved passende hævet temperatur.

Herefter gives et eksempel på fremstillingen af en en udstødsventil, hvor sædeområdet er udført ved hjælp af en HIP-proces. Et grundemne af en egnet legering, såsom stål, legeret stål eller en nikkellegering 25 fremstilles på sædvanlig vis til den ønskede facon uden sædeområdet. Derefter påføres grundemnet den ønskede sædelegering ved en velkendt HIP-process (HIP står for Hot Isostatic Pressure). Ved denne process anvendes partikelformet udgangsmateriale, der eksempelvis kan 30 være fremstillet ved at en flydende stråle af en smeltet nikkel- og chromholdig legering forstøves ud i et kammer med en inaktiv atmosfære, hvorved det dråbeformede materiale bratkøles og størkner som partikler med meget tæt dendritiske struktur.

21 DK 173348 B1

Det partikel formede udgangsmateriale placeres oven på grundemnet på oversiden af ventiltallerknen i en mængde, der justeres efter den ønskede tykkelse af sædeområdet. Derefter placeres emnet i en form og sættes . 5 ind i et HIP-kammer, der lukkes og påføres et vakuum for udsugning af uønskede gasser. Derefter startes HIP-' processen, hvor det partikelformede materiale opvarmes til en temperatur i intervallet 950-1200eC og påføres højt tryk på eksempelvis 900-1200 bar. Ved disse 10 betingelser bliver det pulverformede udgangsmateriale plastisk og forenes til et sammenhængende, tæt materiale i det væsentlige uden opsmeltning. Derefter udtages emnet, og om ønsket kan det herefter udsættes for en opløsningsglødning, fx for Rene 95 i 1 time ved en 15 temperatur på 1150°C, efterfulgt af en bratkøling enten i saltbad til en mellemliggende temperatur (typisk 535°C) efterfulgt af en luftkøling til stuetemperatur eller bratkøling i gasarter til stuetemperatur. Der kan så udføres en varm/kolddeformering efter disse trin, og 20 hvis legeringens sammensætning muliggør dette kan der også udføres en udskilleseshærdning, fx for Rene 95 i 1 time ved 870°C efterfulgt af 24 timer ved 650°C, hvorefter emnet ved luftkøling kan bringes til stuetemperatur. Endelig kan emnet færdigslibes til de ønskede 25 mål.

Det er muligt som grundemne at anvende en ventil-tallerken uden skaft, idet skaftet så monteres på ventiltallerknen efter afslutningen af HIP-processen.

Denne montering kan eksempelvis ske ved hjælp af 30 friktionssvejsning. Fordelen ved dette er, at HIP-kammeret udnyttes bedre ved at der i kammeret kan være flere grundemner på samme tid, når skaftet eftermon-teres. Det er også muligt at fremstille hele ventiltallerknen eller om ønsket hele ventilspindlen udfra parti-35 kelformet materiale ved hjælp af HIP-processen, hvor der

Claims (18)

1. Udstødsventil til en forbrændingsmotor, navnlig en totakts krydshovedmotor, omfattende en bevægelig spindel med en ventiltallerken, der på sin overside har et rundtgående sædeområde af en anden legering end ventiltallerknens grundlegering, hvilket sædeområde i 20 ventilens lukkede stilling ligger an mod et modsvarende sædeområde på en stationær ventilpart, kendetegnet ved, at sædeområdet på ventiltallerknens overside er af en legering, der ved en temperatur på omtrent 20°C har en flydespænding (Rp0 2) på mindst 1000 MPa.

2. Udstødsventil ifølge krav 1, kendeteg net ved, at sædeområdets legering har en flydespæn-ding på mindst 1100 MPa, fortrinsvis mindst 1200 MPa.

3. Udstødsventil ifølge krav 2, kendetegnet ved, at sædeområdets legering har en flyde-30 spænding på mindst 1300 MPa, fortrinsvis mindst 1400 MPa. DK 173348 B1

4. Udstødsventil ifølge et af kravene 1-3, kendetegnet ved, at sædeområderne på henholdsvis den stationære part og ventiltallerknen har hovedsagelig ens flyde spænding ved sædeområdernes driftstemperaturer.

5. Udstødsventil ifølge et af kravene 1-3, ken detegnet ved, at sædeområdet på den stationære part har væsentlig større flydespænding end sædeområdet på ventiltallerknen ved sædeområdernes driftstemperaturer.

5 Med kolddeformering skal i den foreliggende sammenhæng forstås enten regulær kolddeformering ved en temperatur væsentligt under legeringens rekrystallisa-tionstemperatur eller en termomekanisk deformering ved en temperatur under eller lige omkring det nedre 10 temperaturområde for rekrystalliseringen. I sidstnævnte tilfælde kan der med fordel fra en opløsningsglødning køles ned til bearbejdningstemperaturenuden først at afkøle ned til stuetemperatur.

6. Udstødsventil ifølge et af kravene 1-5, ken detegnet ved, at sædeområdets materiale er en nikkelbaseret, chromholdig legering, der indeholder en vægtandel på mindst 10% af opløsningsforstærkende bestanddele, såsom Mo, W, Co, Hf, Fe og/eller Cr, og at 15 legeringen er svejst på ventiltallerknen og derefter er legeringens flydespænding øget til en værdi større end nævnte nedre grænse ved kolddeformering af materialet ved en temperatur lavere end eller omkring legeringens rekrystallisationstemperatur.

7. Udstødsventil ifølge krav 6, kendeteg net ved, at legeringen indeholder Nb og/eller Ta, at efter kolddeformeringen er legeringens flydespænding yderligere øget ved hjælp af en udskillelseshærdnende varmebehandling.

8. Udstødsventil ifølge krav 6, kendeteg net ved, at legeringen indeholder Al og Ti, og at legeringen efter svejsningen, men inden kolddeformeringen, er opløsningsgiødet og derefter bratkølet.

9. Udstødsventil ifølge et af kravene 1-8, k e n -30 detegnet ved, at sædeområdets legering er en nikkelbaseret, chromholdig legering, der indeholder Nb og/eller Ta, at legeringen er svejst på ventiltallerknen, og at legeringens flydespænding efter svejsningen er øget til en værdi større end nævnte nedre grænse ved 35 hjælp af en udskillelseshærdnende varmebehandling. DK 173348 B1

10. Udstødsventil ifølge et af kravene 1-5, kendetegnet ved, at sædeområdets legering er en nikkelbaseret, chromholdig legering, der indeholder en vægtandel på mindst 10% af opløsningsforstærkende 5 bestanddele, såsom Mo, W, Co, Hf, Fe og/eller Cr, samt udskillelseshærdende bestanddele, såsom Nb, Ta, Al og/eller Ti, og at legeringen er svejst på ventiltallerknen og derefter er dens flydespænding øget til en værdi større end nævnte nedre grænse ved hjælp af en udskil- 10 lelseshærdnende varmebehandling.

11. Udstødsventil ifølge et af kravene 1-5, k e n -detegnet ved, at sædeområdets legering er en nikkelbaseret, chromholdig legering, der omfatter mindst en bestanddel udvalgt blandt Co, Mo, Hf, Fe, W, Ti, Nb,

12. Udstødsventil ifølge krav 11, kendet egnet ved, at legeringens flydespænding er øget efter HIP-processen ved hjælp af kolddeformering af materia- 20 let.

13. Udstødsventil ifølge et af kravene 1-5, k e n -detegnet ved, at sædeområdets legering er en nikkelbaseret, chromholdig legering, der omfatter mindst en bestanddel udvalgt blandt Co, Mo, W, Fe, Hf, Ti, Nb,

25 Ta, Al, og at i det mindste sædeområdet er fremstillet ved hjælp af enten støbning eller pulvermetallurgisk påførsel efterfulgt af en termomekanisk deformering ved en temperatur lavere end eller omkring legeringens rekrystallisationstemperatur og med en deformationsgrad 30 af sædeområdet, der øger flydespændingen af dettes legering til en værdi større end nævnte nedre grænse.

14. Udstødsventil ifølge krav 13, kendetegne t ved, at den termomekaniske deformering omfatter en kolddeformering af legeringen. DK 173348 B1

15. Udstødsventil ifølge et af kravene 11-14, kendetegnet ved, at legeringens f lydespænding er øget ved hjælp af en udskillelseshærdnende varmebehandling.

15 Ta, Al, og at i det mindste sædeområdet er fremstillet ved hjælp af en HIP-proces.

16. Udstødsventil ifølge et af kravene 8, 10, 11, eller 13, kendetegnet ved, at sædeområdets materiale omfatter 10-25% Cr, højst 25% Co, højst 10% Mo+W, højst 11% Nb, højst 20% Ta, højst 3% Ti, højst 0,55% Al, højst 0,3% C, højst 1% Si, højst 0,015% P, 10 højst 0,015% S, højst 3% Mn, højst 25% Fe og resten Ni, og fortrinsvis er bestanddelene Al, Ti og Ni afgrænset til højst 0,5% Al, 0,7-3% Ti og 52-57% Ni, hensigtsmæssigt er indholdet af Nb + Ta/2 mindst 3%.

17. Udstødsventil ifølge et af de foregående krav, 15 kendetegnet ved, at ventiltallerknens yderdiameter er beliggende i intervallet fra 130 mm til 500 mm.

18. Anvendelse af en nikkelbaseret, chromholdig legering med en flydespænding ved omtrent 20°C på mindst 20 1000 MPa som indtrykningsmærkebegrænsende eller -hindrende materiale i et rundtgående sædeområde på oversiden af en bevægelig ventiltallerken i en udstødsventil til en forbrændingsmotor, navnlig en totakts krydshoved-motor, hvilket sædeområde er af en anden legering end 25 ventiltallerknens grundmateriale og ligger an mod et modsvarende sædeområde på en stationær ventilpart, når ventilen er lukket. ϋ