EP0411282B1 - Verwendung von ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen (AFP -) Stählen als Werkstoff für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to the use of precipitation hardening ferritic-pearlitic steels, so-called AFP steels, as a material for gas exchange valves of internal combustion engines.
- Gas exchange valves are intake and exhaust valves in internal combustion engines that regulate the gas exchange in the engine and seal the working area of the cylinder to the outside.
- FIG. 1 (1) V. editor, T. Kreul, S. Engineer: "Precious structural steels in automobiles", Thyssen Technical Reports 2 (1986), pp. 233-240
- valve manufacturers take into account the different material properties of the valve materials when designing the differently loaded valves.
- lightly loaded inlet valves as single-metal valves (“mono valves") are often made from steel 1.4718 (x 45 CrSi 93).
- tempered, ground rods are partially conductively heated and at the same time compressed in a pear shape. Then the valve plate is forged in the die, then tempered or tempered and finally the final machining takes place.
- the valve manufacturer is often forced to combine valve materials with one another in a sensible manner. As shown in Fig. 1 using the example of a bimetal valve, e.g.
- valve disc made of steel 1.4871 (X 53 CrMnNi N 21 9) with a steel 1.4718 (X 45 CrSi 93) the high heat resistance and hot gas corrosion resistance of the hardenable austenitic steel can be combined with the high wear resistance and the good sliding properties of the hardenable martensitic steel.
- valve materials made of steel 1.4718 (X 45 CrSi 9 3) or modifications are made for intake valves and low-stress exhaust valves and for stems of intake and exhaust bimetallic valves.
- These steels are processed by the steel manufacturer and valve manufacturer in accordance with the main production sequences as shown in FIGS. 2 and 3.
- the invention is based on the object, instead of the previously used martensitic carbide steels, which have to be heat-treated several times according to the production sequence both for the steel producer and for the valve manufacturer, to use steels which achieve the required valve properties without heat treatment as far as possible and require less machining effort.
- AFP steels both after rolling to wire and after upsetting and drop forging with controlled cooling of hot-forming temperature in air (“state BY”), have mechanical-technological values which are comparable to those of steel 1.4718.
- Table 1 shows the chemical composition
- Table 2 and Fig. 4 the strength properties at room temperature and elevated temperatures.
- Table 3 and Fig. 5 indicate the creep rupture strength of the comparison materials 1.4718 (X 45 CrSi 9 3) and an AFP steel.
- AFP steels in the BY condition are a sensible alternative to the well-known steel 1.4718.
- the intake valves made from the AFP steel to be used according to the invention at a valve manufacturer were cooled in still air after upsetting and drop forging and tested in engine test benches without tempering and other heat treatment. The results found are also positive and sufficient compared to the previously used steel 1.4718.
- Steels to be used according to the invention have the advantage over the materials previously used for gas exchange valves that they can be simplified according to the production sequences shown in FIGS. 6 and 7 and can thus be produced more cost-effectively.
- the first thing that is noticeable when using AFP steels is the absence of heat treatments at the steelmaker and valve manufacturer.
- the lower crack and decarburization sensitivity of AFP steels compared to steel 1.4718 and the lack of decarburization due to the absence of heat treatment processes mean that the semi-finished product that is required today for further rolling in steel 1.4718 due to partial stain grinding on AFP steels be replaced.
- the machining allowance for centerless grinding of bar steel can be reduced or even saved entirely by using drawn bars instead of ground bars in AFP steels as the raw material for the production of gas exchange valves.
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Description
- Die Erfindung betrifft die Verwendung von ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stählen, sog. AFP-Stählen, als Werkstoff für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren.
- Gaswechselventile sind Ein- und Auslaßventile in Verbrennungsmotoren, die den Gaswechsel im Motor regeln und den Arbeitsraum des Zylinders nach außen abdichten.
- Die Motorentwicklung zu immer höheren Leistungen führt zu einer stetig größer werdenden Wärmebelastung der Ventile, wobei die von heißen Verbrennungsgasen umspülten Auslaßventile Betriebstemperaturen bis ca. 850 °C erreichen. Einlaßventile werden dagegen durch das Frischgas gekühlt und erreichen selten Temperaturen über 550 °C.
- Neben hohen Warmfestigkeitseigenschaften der Ventilwerkstoffe sind weitere Gebrauchseigenschaften gefordert, wie sie schematisch in Fig. 1 wiedergegeben sind (1) .
1) V. Schüler, T. Kreul, S. Engineer: "Edelbaustähle im Automobil", Thyssen Technische Berichte 2 (1986), S. 233-240 - Für diese Eigenschaften sind spezielle Ventilwerkstoffe entwickelt worden, die in DIN 17480 (2) genormt sind. Werkstoffkundlich werden drei Gruppen unterschieden:
- martensitisch-carbidische Stähle, wie die Werkstoffe Nr. 1.4718, 1.4731, 1.4748
- austenitisch-carbidische Stähle, z.T. aushärtbar, wie die Werkstoffe Nr. 1.4873, 1.4875, 1.4882, 1.4785 und
- austenitisch-aushärtbare Legierungen, wie die Werkstoffe Nr. 2.4955, 2.4952.
- Die Ventilhersteller berücksichtigen bei der Auslegung der unterschiedlich belasteten Ventile die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften der Ventilwerkstoffe. So werden gering belastete Einlaßventile als Einmetallventile ("Monoventile") häufig aus dem Stahl 1.4718 (x 45 CrSi 93) hergestellt. Dabei werden beispielsweise vergütete, geschliffene Stäbe partiell konduktiv erwärmt und gleichzeitig birnenförmig gestaucht. Danach wird im Gesenk der Ventilteller geschmiedet, dann wird vergütet oder angelassen und schließlich erfolgt die Fertigbearbeitung. Bei hoch beanspruchten Auslaßventilen ist der Ventilhersteller häufig gezwungen, Ventilwerkstoffe sinnvoll miteinander zu kombinieren. Wie in Fig. 1 am Beispiel eines Bimetallventiles dargestellt, kann z.B. durch Reibschweißen eines Ventiltellers aus dem Stahl 1.4871 (X 53 CrMnNi N 21 9) mit einem Stahl 1.4718 (X 45 CrSi 93) die hohe Warmfestigkeit und Heißgaskorrosionsbeständigkeit des aushärtbaren austenitischen Stahles mit dem hohen Verschleißwiderstand und den guten Gleiteigenschaften des härtbaren martensitischen Stahles kombiniert werden.
- Nach dem heutigen Stand der Technik werden für Einlaßventile und gering beanspruchte Auslaßventile sowie für Schäfte von Ein- und Auslaßbimetallventilen mehr als die Hälfte des Gesamtbedarfs an Ventilwerkstoffen aus dem Stahl 1.4718 (X 45 CrSi 9 3) oder Modifikationen hergestellt. Diese Stähle werden beim Stahlhersteller und Ventilhersteller entsprechend den Haupt-Fertigungsfolgen, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt sind, verarbeitet.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, anstelle der bisher eingesetzten martensitisch-carbidischen Stähle, die entsprechend der Fertigungsfolge sowohl beim Stahlerzeuger als auch beim Ventilhersteller mehrfach wärmebehandelt werden müssen, Stähle einzusetzen, die möglichst ohne Wärmebehandlung die geforderten Ventileigenschaften erreichen und einen geringeren Bearbeitungsaufwand erfordern.
- Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß AFP-Stähle der Zusammensetzung nach einem oder mehrerer der Ansprüche vorgeschlagen.
- Es wurde festgestellt, daß AFP-Stähle sowohl nach dem Walzen zu Draht als auch nach dem Stauchen und Gesenkschmieden mit gesteuerter Abkühlung von Warmformgebungstemperatur an Luft ("Zustand BY") mechanisch-technologische Werte aufweisen, die denen des Stahles 1.4718 vergleichbar sind. Tafel 1 zeigt die chemische Zusammensetzung, Tafel 2 und Fig. 4 die Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen. Tafel 3 und Fig. 5 kennzeichnen die Zeitstandfestigkeit der Vergleichswerkstoffe 1.4718 (X 45 CrSi 9 3) und eines AFP-Stahles. Demnach sind AFP-Stähle im Zustand BY eine sinnvolle Alternative zu dem bekannten Stahl 1.4718.
- Die aus dem erfindungsgemäß zu verwendenden AFP-Stahl bei einem Ventilhersteller hergestellten Einlaßventile wurden nach dem Stauchen und Gesenkschmieden an ruhender Luft abgekühlt und ohne Vergütung und sonstige Wärmebehandlung in Motorprüfständen erprobt. Die gefundenen Ergebnisse sind auch im Vergleich zu dem bisher eingesetzten Stahl 1.4718 positiv und ausreichend.
- Erfindungsgemäß zu verwendende Stähle haben gegenüber den bisher eingesetzten Materialien für Gaswechselventile den Vorteil, daß sie nach den in den Figuren 6 und 7 wiedergegebenen Fertigungsfolgen vereinfacht und damit kostensparender erzeugt werden können.
- Beim Vergleich der Hauptvertigungsfolgen nach den Fig. 6 und 7 mit den bisher üblichen Hauptfertigungsfolgen in den Figuren 2 und 3 fällt zunächst beim Einsatz von AFP-Stählen der Wegfall von Wärmebehandlungen beim Stahlerzeuger und Ventilhersteller auf. Als weiterer Vorteil kann wegen der geringeren Riß- und Entkohlungsempfindlichkeit der AFP-Stähle im Vergleich zum Stahl 1.4718 und wegen der fehlenden Entkohlung durch wegfallende Wärmebehandlungsvorgänge das heute notwendige 100 %ige Blankschleifen des Halbzeuges zum Weiterwalzen beim Stahl 1.4718 durch partielles Fleckschleifen bei den AFP-Stählen ersetzt werden. Darüber hinaus kann das Bearbeitungsaufmaß zum Centerless-Schleifen von Stabstahl reduziert oder sogar ganz eingespart werden, indem man bei AFP-Stählen als Vormaterial für die Herstellung von Gaswechselventilen gezogene Stäbe anstelle von geschliffenen Stäben einsetzt.
- Weitere Vorteile der AFP-Stähle gegenüber martensitisch-carbidischen Ventilstählen sind neben geringerer Riß- und Entkohlungsempfindlichkeit:
- . geringer Legierungsaufwand
- . bessere Strangvergießbarkeit
- . geringere Empfindlichkeit gegenüber grobkörniger Rekristallisation
- . bessere Zerspanbarkeit.
- Insgesamt ergibt sich bei Verwendung der AFP-Stähle für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren durch diese Vorteile eine erhebliche Kosteneinsparung beim Stahlerzeuger und auch beim Ventilhersteller.
2) DIN 17480: "Ventilwerkstoffe", Beuth Verlag GmbH, Berlin 30 (September 1984)
Claims (3)
- Verwendung von ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stählen, bestehend aus
0,20 bis 0,60 % Kohlenstoff
0,20 bis 0,95 % Silicium
0,50 bis 1,80 % Mangan
0,004 bis 0,04 % Stickstoff
0,05 bis 0,20 % Vanadium und/oder Niob,
sowie gegebenenfalls
bis 20 % Schwefel
bis 0,70 % Chrom
bis 0,10 % Aluminium
bis 0,05 % Titan einzeln oder zu mehreren,
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen als Werkstoff für Gaswechselventile von Verbrennungsmotoren. - Verwendung eines Stahls nach Anspruch 1 mit
0,35 bis 0,50 % Kohlenstoff
0,40 bis 0,80 % Silicium
1,00 bis 1,60 % Mangan
0,05 bis 0,50 % Chrom
0,01 bis 0,05 % Aluminium
0,008 bis 0,03 % Stickstoff
0,05 bis 0,12 % Vanadium,
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen für den Zweck nach Anspruch 1. - Verwendung eines Stahls nach Anspruch 2, der zusätzlich noch bis 0,05 % Schwefel, bis 0,05 % Niob, bis 0,025 % Titan einzeln oder zu mehreren enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.
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