EP0670375B1 - Verfahren zum Härten von Einmetall-Ventilen, insbesondere von Einlassventilen für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Einmetall-Ventilen.

Einmetall-Einlaßventile, insbesondere solche aus einem härtbaren Stahl X 45 CrSi 9 3 werden heute üblicherweise an den verschiedenen Funktionsstellen wie Schaftende, Keilnut, Schaft und Ventilsitz mit örtlich gezielt wirkenden unterschiedlichen Härteverfahren behandelt, was nur in zeitraubenden, für jede Funktionsstelle zeitversetzt gesondert vorzunehmenden Einzelhärtungen durchgeführt werden kann. Dies ist beispielsweise aus der DE-PS 40 14 072 bekannt. Verschiedene lokal unterschiedlich wirkende Härtungsstufen für Einlaßventile sind auch aus der DE-AS 14 76 045, jedoch nur für Stähle mit einem Anteil von 0,08 bis 0,25% Kohlenstoff bekannt. Aufgrund der verschiedenen Einzelhärtungen gestaltet sich das Härten von derartigen Einlaßventilen sehr kostspielig. Das Schaftende und die Keilnut sowie der Ventilsitz werden durch gesonderte Induktionsverfahren örtlich gezielt gehärtet, wogegen der Ventilschaft entweder bei geringer Einhärtetiefe nitriergehärtet oder oberflächlich durch galvanisches Aufchromen unter Bildung eines Bi-Metall-Ventiles hart gemacht wird.

Aus der Beschreibungseinleitung der DE-B-1 206 455 ist ein Verfahren zum Härten von Ventilen, insbesondere von Einlaßventilen für Brennkraftmaschinen, deren Ventilteller an erhitzten und gegebenenfalls geschliffenen Stahlabschnitten angestaucht und nachgepreßt werden, wobei die Ventile im Anschluß an das Nachpressen einer zweistufigen Wärmebehandlung unterzogen, werden durch welche das Ventil die gewünschten Festigkeitseigenschaften erhält. Dabei werden die Ventile nach dem Abkühlen in einem Sammelkasten in einem Ofen auf eine Temperatur oberhalb des für die Härtung maßgeblichen Umwandlungspunktes erwärmt und dann in Öl gehärtet. Dann werden die Ventile angelassen, wozu sie in einem gesonderten Ofen auf eine bestimmte Temperatur mit entsprechender Haltezeit erwärmt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Härten von Mono-Werkstoff-Ventilen zu entwickeln, das preisgünstig ist, jedoch gleichwohl eine in allen Funktionsbereichen der Ventile ausreichende Härte und Rißbeständigkeit, insbesondere im Schaftbereich gewährleistet.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dank der Erfindung kann auf die für lokal unterschiedlichen Bereiche am Ventil vorgenommenen, gesonderten Einzelhärtungen verzichtet werden, wodurch Zeit in der Fertigung eingespart wird und die für jede Einzelhärtung speziell ausgebildete und daher teuere apparative Ausrüstung entfällt. Desweiteren wird eine einheitliche Massenhärtung ermöglicht, bei der die derart gehärteten Ventile an sämtlichen Funktionsstellen eine ausreichende Härte und Rißbeständigkeit, letztere insbesondere im Ventilschaftbereich aufweisen.

Dem erfindungsgemäßen Härtungsverfahren liegt die auf jahrelange Beobachtungen von Schadensfällen sich stützende Erkenntnis zugrunde, daß eine - härtungsbedingt geringe - Zähigkeit des Werkstoffes, gerade im Schaftbereich für die Haltbarkeit des Ventils nicht von wesentlicher Bedeutung ist. Sprödbrüche treten dabei nur bei verchromten Ventilen (Bi-Metall-Ventilen) auf und werden infolge einer beim galvanischen Verchromen einsetzende Wasserstoffversprödung verursacht. Durch die in der Erfindung verwandte Ofenhärtung ist dementgegen ein Wasserstoffeintrag in den Ventilwerkstoff ausgeschlossen.

Darüber hinaus bietet die Schafthärte einen guten Verschleißschutz und erhöht den Widerstand gegen plastische Verformungen des Ventils bei Überlastung im Betrieb. Gemäß des Unteranspruches 2 können die Ventile in zweckmäßiger Weise als Schüttgut gehärtet werden, wodurch eine zeitraubende voneinander getrennte Aufstellung der Ventile erspart wird.

In der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 einen Stangenmaterialrohling in einer Seitenansicht,

Fig. 2 den Rohling aus Fig. 1 nach einer Stauchbehandlung in einer Seitenansicht,

Fig. 3 der gestauchte Rohling aus Fig. 2 in ausgeschmiedeter Ventilform in einer Seitenansicht,

Fig. 4 das Ventil aus Fig. 3 nach zerspanender Bearbeitung,

Fig. 5 eine schematisierte Härtung mehrerer Ventile gemäß Fig. 3,

Fig. 6 ein Einzelventil im einheitlich durchgehärteten Zustand nach Entspannungsglühen aus Fig. 5. in einem Längsschnitt.

In Fig. 1 bis 4 sind einzelne Stufen der Ventilform im Herstellungsprozeß eines Ventils für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Einlaßventile dargestellt. Dabei wird ein in Fig. 1 gezeigter Stangenmaterialrohling 1 aus einem härtbaren Stahl wie beispielsweise aus X 45 CrSi 9 3 an einem Ende 2 erwärmt. Am erwärmten Ende 2 des Rohlings 1 wird dann eine Birne 3 (Fig. 2) durch Elektrostauchen angestaucht, wonach der Rohling 1 zu einem Ventil 4 ausgeschmiedet wird. Hierzu wird der Ventilschaft 5 und der Ventilteller 6 vorgeformt (Fig.3). Anschließend wird nach Fig. 4 das Ventil 4 eventuell zerspanend vorbearbeitet, wobei das Schaftende 7 und der Ventilteller 6 funktionell gestaltet wird und im Bereich des Endes 7 in den Ventilschaft 5 eine Keilnut 8 eingearbeitet wird.

Alternativ zu der beschriebenen Umformung des Einlaßventils 4 ist zu dessen Herstellung auch die Methode des Warmfließpressens denkbar. Dabei wird das Material in Stabform auf die Umformtemperatur aufgeheizt und durch eine Matrize mit Negativform des Ventils durchgepreßt.

Die derartig ausgebildeten Ventile 4 werden zum Härten als Schüttgut 10 in einem Korb 11 aufgenommen und mit diesem in einen Härtofen 12 eingebracht. Im Härteofen 12 werden die Ventile 4 gleichmäßig und gleichzeitig bei einer Temperatur von etwa 950°C für die Dauer von 1-2 Stunden und Normalatmosphäre wärmebehandelt und danach gemeinsam aus der Ofenwärme in einem Ölbad 13 abgeschreckt, wodurch dieses auf etwa 100°C aufgewärmt wird (Fig. 5). In der Ofenwärme werden alle Oberflächenpartien und Bauteilquerschnitte der Ventile 4 gleichmäßig und somit die einzelnen funktionellen Ventilabschnitte wie der Ventilschaft 5, der Ventilteller 6, das Schaftende 7, die Keilnut 8 und der Ventiltellerboden 9 in gleicher Weise wärmebehandelt.

Die abgeschreckten Ventile 4 werden anschließend im Korb 11 in einen weiteren Ofen 14 geschoben und dort bei einer Temperatur von etwa 200±20°C ca. ½ - 1 Stunde lang dem Vorgang des Entspannungsglühens unterzogen. Dadurch werden Eigenspannungsspitzen im Gefüge, die beim Härten entstehen, abgebaut und gleichzeitig eine Gefügeumwandlung tetragonalen Plattenmartensites in kubischen Martensit erreicht. Dies verbessert die Zähigkeit des Ventilwerkstoffes und nivelliert unterschiedliche Härten zwischen den Ventilen 4. Diese werden hierbei auf eine Härte im Bereich von 57±3 HRC eingestellt. Fig. 6 zeigt dabei mit der Schnittschraffur 15 ein bearbeitetes, einheitlich und gleichmäßig durchgehärtetes Einzelventil 4.

Im gehärteten Zustand erfolgt die Endbearbeitung der Ventile 4 durch Schleifen oder Polieren zur Herstellung der geforderten Oberflächenqualität.

Claims (2)

1. Verfahren zum Härten von Einmetall-Ventilen, insbesondere von Einlaßventilen für Brennkraftmaschinen aus einem härtbaren Stahl, insbesondere aus X 45 CrSi 9 3,
   wobei,
   unter Verzicht auf eine örtlich gezielte Sonderbehandlung einzelner Oberflächenpartien viele gleiche Ventile (4) gemeinsam und gleichzeitig einer für alle Oberflächenpartien und Bauteilquerschnitte gleichmäßig wirkenden Wärmebehandlung bei etwa 950°C in einem Härteofen (12) unterzogen und danach gemeinsam aus der Ofenwärme abgeschreckt werden und wobei die Ventile (4) anschließend durch Entspannen bei einer Temperatur von etwa 200±20°C unter Beibehaltung ihrer durch die vorhergehende Wärmebehandlung geschaffenen martensitischen Gefügestruktur auf eine Härte im Bereich von 57±3 HRC eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Ventile (4) als Schüttgut (10) gehärtet werden.

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