EP1815033B2 - Verwendung einer kupfer-zink-legierung - Google Patents

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EP1815033B2
EP1815033B2 EP05813327.3A EP05813327A EP1815033B2 EP 1815033 B2 EP1815033 B2 EP 1815033B2 EP 05813327 A EP05813327 A EP 05813327A EP 1815033 B2 EP1815033 B2 EP 1815033B2
Authority
EP
European Patent Office
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alloy
weight
copper
zinc
sintered steel
Prior art date
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EP05813327.3A
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EP1815033A1 (de
EP1815033B1 (de
Inventor
Norbert Gaag
Alexander Dehnelt
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Diehl Metall Stiftung and Co KG
Original Assignee
Diehl Metall Stiftung and Co KG
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/08—Valves guides; Sealing of valve stem, e.g. sealing by lubricant

Definitions

  • the invention relates to a use of a copper-zinc alloy according to claim 1.
  • Copper-zinc alloys or sintered steel alloys are used for a valve guide in an internal combustion engine.
  • such a copper-zinc alloy is known.
  • the properties of the Cu-Zn alloys no longer meet the requirements that are placed on such a valve guide that is to be used in the new FSI engines.
  • the working temperature of the valve guides can reach and exceed 300 ° C.
  • the currently used copper-zinc alloys soften at these temperatures.
  • a comparable, disadvantageous effect is also observed with sintered steel alloys.
  • Sintered steel alloys also soften at temperatures above 300 ° C, and the hardness also varies greatly. Incidentally, the manufacturing outlay for sintered steel alloys is high as a result of the powder-metallurgical manufacturing process.
  • the present invention is therefore based on the problem of providing a copper-zinc alloy for use as a valve guide, the copper-zinc alloy satisfying the requirements for materials for valve guides, particularly at elevated temperatures and being easy to manufacture.
  • the ones from the DE 29 19 478 C2 known alloy contains an Al content of 4-6% by weight and an Mn content of 6-8% by weight.
  • the DE 759 865 discloses a cold rolled brass alloy for the manufacture of plain bearings.
  • the alloy optionally contains Ni, Mn, Fe, Pb, Th and Al.
  • DE 764 372 A1 discloses a copper-zinc alloy with a content of at least 0.1% by weight of cobalt.
  • the DE 2 145 710 discloses a copper-based alloy with an Al content of 5-12% by weight.
  • the specified copper-zinc alloy has a surprisingly high heat resistance which, in combination with its good wear resistance, makes it possible to use it as a valve guide in the first place.
  • This surprising combination of material properties offers the possibility of using the known alloy in a new way as a valve guide.
  • the use as a valve guide in modern engines requires a combination of high temperature resistance above 300 ° C with good wear resistance, which is necessary as a result of transverse forces acting on the valve tappets.
  • the high coefficient of friction is negligible.
  • the invention thus defies a prejudice that has hitherto been widespread among experts.
  • valve guides can be manufactured in rod form by semi-continuous or fully continuous continuous casting, extrusion and drawing, i.e. by hot and cold forming.
  • a copper-zinc alloy not according to the invention for use as a valve guide comprises 70 to 73% copper, 6 to 8% manganese, 4 to 6% aluminum, 1 to 4% silicon, 1 to 3% iron, 0.5 to 1 , 5% lead, 0 to 0.2% nickel, 0 to 0.2% tin, the remainder zinc and unavoidable impurities.
  • the structure of the DE 29 19 478 C2 The manufactured alloy consists of an alpha and beta mixed crystal matrix with up to 60 to 85% alpha phase, the body-centered cubic beta phase being the basic matrix in which the face-centered cubic alpha phase is predominantly finely dispersed.
  • the structure can also contain hard intermetallic compounds, for example iron-manganese silicides.
  • the alpha phase determines the resistance of the alloy.
  • Valve guides made from this alloy have a surprisingly high wear resistance, which is even significantly higher than that of sintered steel.
  • the dry friction wear of valve guides made of said alloy enables use in engines that require "cleaner" fuels, i.e. those that are lead- or sulfur-free, as the absence of these additives means that there is no additional wear-reducing effect. This is particularly advantageous at temperatures around 300 ° C, the working temperature of the valve guides in FSI engines.
  • Another advantage of using this alloy as a valve guide is that a stable hardness level is achieved in the desired working range above 300 ° C, since the alloy only softens above 430 ° C, whereas the copper-zinc used so far has softened -Alloys starts at 150 ° C.
  • the associated drop in hardness occurs from 150 ° C as well as the hardness drop in sintered steel alloys from 300 ° C.
  • the alloy comprises 69.5 to 71.5% copper, 6.5 to 8% manganese, 4.5 to 6% aluminum, 1 to 2.5% silicon, 1 up to 2.5% iron, 0.5 to 1% lead, 0 to 0.2% nickel, 0 to 0.2% tin, the remainder zinc and unavoidable impurities.
  • the structure of the alloy produced in the usual way has an ⁇ - and ⁇ -mixed crystal matrix with up to 80% finely dispersed alpha phase.
  • it can contain hard intermetallic compounds, for example Fe-Mn silicides.
  • valve guide is particularly advantageous because it has a hot tensile strength that is twice as high as that of conventional copper-zinc alloys that have hitherto been used as valve guides. Further advantageous properties are a high softening temperature, high strength and high wear resistance.
  • a copper-zinc alloy is then used for valve guides, the alloy being 60 to 61.5% copper, 3 to 4% manganese, 2 to 3% aluminum, 0.3 to 1% silicon, 0.2 to 1% iron , 0 to 0.5% lead, 0.3 to 1% nickel, 0 to 0.2% tin, the remainder zinc and unavoidable impurities.
  • the structure of said and correspondingly produced alloy has a basic mass of ⁇ mixed crystals in which needle-shaped and ribbon-shaped ⁇ precipitates are embedded.
  • the structure can also contain randomly dispersed manganese-iron silicides.
  • Valve guides made from this alloy have a high level of wear resistance, which is even significantly higher than that of sintered steel.
  • the dry friction wear of valve guides made of said alloy enables use in engines that require "cleaner" fuels, i.e. those that are lead- or sulfur-free, as the absence of these additives means that there is no additional wear-reducing effect. This is particularly advantageous at temperatures around 300 ° C, the working temperature of the valve guides in FSI engines.
  • a copper-zinc alloy is used for valve guides, which additionally comprises at least one of the following elements with a concentration ⁇ 0.05% chromium, ⁇ 0.05% titanium, ⁇ 0.05% zirconium.
  • Sintered steel and copper-zinc alloys with approximately the following composition are currently used as material for valve guides that are not subject to high temperatures: 56 to 60% copper, 0.3 to 1% lead, 0.2 to 1.2% iron, 0 to 0.2 % Tin, 0.74 to 2% aluminum, 1 to 2.5% manganese, 0.4 to 1% silicon and the remainder zinc along with unavoidable impurities.
  • Such an alloy is referred to below as a standard alloy.
  • Alloy 1 is an example of the alloy of the present invention.
  • Alloy 2 is another comparative alloy.
  • the softening behavior of the various materials has been investigated up to a temperature of 500 ° C. It has been shown that the standard alloy for valve guides shows a clear and continuous decrease in hardness from 195 HV50 to only 150 HV50 from a temperature of 100 ° C. In the case of sintered steel, there is a drastic decrease in hardness from 195 to a low 130 HV50 in the relevant temperature range from 300 ° C, with the hardness fluctuating upwards and downwards with increasing temperature. In contrast, alloy 2 has a hardness of around 10% higher (224 HV50), which only decreases from 350 ° C to around 170 HV50. The hardness values of sintered steel at room temperature are only reached from 450 ° C.
  • alloy 1 shows a clear increase in hardness from 224 to 280 HV50 with increasing temperature up to 350 ° C.
  • alloy 1 has a hardness of 140 HV50 higher than sintered steel. Alloy 1 thus has its maximum hardness at the temperatures that correspond to the working temperature of valve guides in FS1 engines.
  • the higher hardness of alloy 1 and 2 compared to the conventionally used materials is due on the one hand to the higher initial hardness and on the other hand to hardening effects.
  • the electrical conductivity can be used as a measure of the thermal conductivity, with a high value standing for good thermal conductivity.
  • the electrical conductivity of the standard alloy is 11 m / ⁇ mm 2 .
  • Alloy 2 has a good electrical conductivity of 7.5 m / ⁇ mm 2 , which is only about a quarter lower than that of the standard alloy.
  • the electrical conductivity of alloy 1 is 4.6 m / ⁇ mm 2 .
  • the heat dissipation of alloys 1 and 2 is significantly improved.
  • the wear behavior was investigated with and without a lubricant.
  • sintered steel has the highest wear resistance (2500 km / g).
  • Alloy 1 also has an excellent wear resistance of 1470 km / g, which is more than a factor of 10 higher than the wear resistance of the standard alloy of 126 km / g.
  • the wear resistance of alloy 2 with lubricant (94 km / g) is in this range.
  • alloys 1 and 2 have clear advantages over sintered steel and the standard alloy.
  • Sintered steel has a wear of 312 km / g, which roughly corresponds to the wear behavior of the standard alloy with 357 km / g.
  • the dry wear behavior of alloy 2, at 417 km / g, is significantly better than that of standard alloy and sintered steel. In other words, there is much less wear and tear.
  • Alloy 1, at 625 km / g has twice as much wear resistance as sintered steel.
  • the low dry friction wear makes alloys 1 and 2 particularly interesting, because the increasing purity of the fuels due to the engine, i.e. the absence of lead or sulfur, the wear-reducing effect of the so-called "blow by", the lubrication by the fuel itself in the additives will not be available in the future.
  • the hot tensile strength was determined using tensile tests at 350 ° C.
  • the hot tensile strength of the standard alloy is 180 N / mm 2 .
  • Alloy 1 has an amount twice as high (384 N / mm 2 ).
  • alloy 2 has an approx. 35% higher hot tensile strength, which is 243 N / mm 2 .
  • Alloy 1 and alloy 2 can preferably be produced by semicontinuous or fully continuous casting, extrusion, drawing and straightening.
  • Alloy 2 and in particular alloy 1 have clear advantages over the previous standard alloy used as a valve guide alloy and compared to sintered steel. These advantages relate to the hot tensile strength, the softening temperature, the strength and the wear resistance. In addition, the conductivity is sufficient, which is why alloys 1 and 2 represent a considerable improvement in terms of use as valve guides, since these alloys meet the requirements for the material at the increased operating temperatures in the new engines.
  • Table 1 shows the material properties of a Cu-Zn standard alloy, a sintered steel alloy, alloy 1 and alloy 2 in comparison.
  • property Standard alloy Alloy 1 Alloy 2 electr.
  • Conductivity (m / ⁇ mm 2 ) 11 4.6 7.5 Hardness (HV50) cold worked (10%) 197 224 224 Dry wear (km / g) 357 625 417 Lubricated wear (km / g) 126 1470 94

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung gemäß Anspruch 1.
  • Für eine Ventilführung in einem Verbrennungsmotor werden Kupfer-Zink-Legierungen oder Sinterstahl-Legierungen verwendet. Beispielsweise aus der DD 270 931 A1 ist eine solche Kupfer-Zink-Legierung bekannt. Die Eigenschaften der Cu-Zn-Legierungen genügen jedoch nicht mehr den Anforderungen, die an eine solche Ventilführung gestellt werden, die in den neuen FSI-Motoren eingesetzt werden soll. In diesen Motoren kann die Arbeitstemperatur der Ventilführungen 300°C erreichen und überschreiten. Die derzeit verwendeten Kupfer-Zink-Legierungen erweichen jedoch bei diesen Temperaturen. Ein vergleichbarer, nachteiliger Effekt wird auch bei Sinterstahllegierungen beobachtet. Sinterstahl-legierungen erweichen ebenfalls bei Temperaturen oberhalb 300°C, wobei außerdem die Härte stark variiert. Im Übrigen ist der Herstellungsaufwand für Sinterstahllegierungen in Folge des pulvermetallurgischen Herstellungsverfahrens hoch.
  • In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung deshalb die Problemstellung zugrunde, eine Kupfer-Zink-Legierung für eine Verwendung als Ventilführung bereitzustellen, wobei die Kupfer-Zink-Legierung den Anforderungen an Materialien für Ventilführungen genügt, insbesondere bei erhöhten Temperaturen und einfach herzustellen ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung für eine Ventilführung gemäß Anspruch 1.
  • Damit wird also eine neue Verwendung für eine Kupfer-Zink-Legierung angegeben. Eine ähnliche Legierung gemäß der DE 29 19 478 C2 wird als Synchronring-Legierung eingesetzt und weist einen hohen Reibungsbeiwert bzw. - koeffizient auf. Bislang wurde ein hoher Reibungsbeiwert als Hinderungsgrund für die Verwendung eines Materials als Ventilführung angesehen, da hierfür die Reibbeanspruchung möglichst gering sein soll.
  • Die aus der DE 29 19 478 C2 bekannte Legierung enthält einen Al-Gehalt von 4-6 Gew.% sowie einen Mn-Gehalt von 6-8 Gew.%.
  • Die DE 759 865 offenbart eine kaltgewalzte Messinglegierung zur Herstellung von Gleitlagern. Die Legierung enthält optional Ni, Mn, Fe, Pb, Th sowie Al.
  • DE 764 372 A1 offenbart eine Kupfer-Zink-Legierung mit einem Gehalt von zumindest 0,1 Gew.% an Cobalt.
  • Die DE 2 145 710 offenbart eine Legierung auf Kupferbasis mit einem Al-Gehalt von 5-12 Gew.%.
  • Neben einer guten Temperaturbeständigkeit hat sich gezeigt, dass die angegebene Kupfer-Zink-Legierung eine überraschend hohe Warmfestigkeit aufweist, die in Kombination mit ihrem guten Verschleißwiderstand eine Verwendung als Ventilführung überhaupt erst ermöglicht. Diese überraschende Kombination von Materialeigenschaften bietet die Möglichkeit, die bekannte Legierung in neuer Art und Weise als Ventilführung zu verwenden. Die Verwendung als Ventilführung in modernen Motoren erfordert die Kombination von hoher Temperaturbeständigkeit oberhalb 300°C mit gutem Verschleißwiderstand, der in Folge von auf die Ventilstößel wirkenden Querkräften notwendig ist. In Folge dieser übrigen überragenden Eigenschaften ist der hohe Reibungskoeffizient vernachlässigbar. Damit setzt sich die Erfindung über ein bislang in der Fachwelt verbreitetes Vorurteil hinweg.
  • Dem Erfordernis der guten und einfachen Herstellbarkeit wird dadurch Rechnung getragen, dass die Ventilführungen in Stangenform durch halb- oder vollkontinuierlichen Strangguss, Strangpressen und Ziehen, also durch Warm- und Kaltverformung, herstellbar sind.
  • Eine nicht- erfindungsgemäße Kupfer-Zink-Legierung für die Verwendung als Ventilführung umfasst 70 bis 73 % Kupfer, 6 bis 8 % Mangan, 4 bis 6 % Aluminium, 1 bis 4 % Silizium, 1 bis 3 % Eisen, 0,5 bis 1,5 % Blei, 0 bis 0,2 % Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Das Gefüge der gemäß der DE 29 19 478 C2 hergestellten Legierung besteht aus einer Alpha- und β-Mischkristallmatrix mit bis zu 60 bis 85 % α-Phase, wobei die kubisch-raumzentrierte β-Phase die Grundmatrix darstellt, in der die kubischflächenzentrierte α-Phase überwiegend feindispers verteilt ist. Im Gefüge können auch harte intermetallische Verbindungen beispielsweise Eisen-Mangan-Silizide enthalten sein. Die Alphaphase bestimmt die Beständigkeit der Legierung.
  • Ventilführungen aus dieser Legierung weisen einen überraschend hohen Verschleißwiderstand auf, der sogar deutlich höher ist, als der von Sinterstahl. Besonders der Trockenreibverschleiß bei Ventilführungen aus besagter Legierung ermöglicht den Einsatz in Motoren, die "reinere" Kraftstoffe benötigen, also solche die blei- oder schwefelfrei sind, da in Folge des Nichtvorhandenseins dieser Additive eine zusätzliche verschleißmindernde Wirkung entfällt. Die ist insbesondere bei Temperaturen um 300°C, der Arbeitstemperatur der Ventilführungen in FSI-Motoren, besonders vorteilhaft.
  • Ein weiterer Vorteil in der Verwendung dieser Legierung als Ventilführung besteht darin, dass im angestrebten Arbeitsbereich oberhalb 300°C, ein stabiles Härteniveau erreicht wird, da eine Erweichung der Legierung erst oberhalb von 430°C eintritt, wogegen die Erweichung von bislang verwendeten Kupfer-Zink-Legierungen schon ab 150°C beginnt. Der damit einhergehende Härteabfall tritt ab 150°C ebenso auf, wie der Härteabfall bei Sinterstahl-Legierungen ab 300°C.
  • Bei einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung umfasst die Legierung 69,5 bis 71,5 % Kupfer, 6,5 bis 8 % Mangan, 4,5 bis 6 % Aluminium, 1 bis 2,5 % Silizium, 1 bis 2,5 % Eisen, 0,5 bis 1 % Blei, 0 bis 0,2 % Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Das Gefüge der in üblicher Weise hergestellten Legierung weist eine α- und β-Mischkristallmatrix mit bis zu 80% feindispers verteilter Alphaphase auf. Darüber hinaus können harte intermetallische Verbindungen, beispielsweise Fe-Mn-Silizide enthalten sein.
  • Die Verwendung der besagten Legierung als Ventilführung ist besonders vorteilhaft, da sie eine Warmzugfestigkeit aufweist, die einen doppelt so hohen Betrag hat, wie sie herkömmliche Kupfer-Zink-Legierungen, die bislang als Ventilführung eingesetzt wurden, besitzen. Weitere vorteilhafte Eigenschaften sind eine hohe Erweichungstemperatur, eine hohe Festigkeit und eine hohe Verschleißbeständigkeit.
  • Die Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs definiert. Danach wird für Ventilführungen eine Kupfer-Zink-Legierung verwendet, wobei die Legierung 60 bis 61,5 % Kupfer, 3 bis 4 % Mangan, 2 bis 3 % Aluminium, 0,3 bis 1 % Silizium, 0,2 bis 1 % Eisen, 0 bis 0,5 % Blei, 0,3 bis 1 % Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
  • Das Gefüge besagter und entsprechend hergestellter Legierung weist eine Grundmasse von β-Mischkristallen auf, in die nadel- und bandförmige α-Ausscheidungen, eingebettet sind. In dem Gefüge können ebenfalls regellos disperse Mangan-Eisen-Silizide enthalten sein.
  • Ventilführungen aus dieser Legierung weisen einen hohen Verschleißwiderstand auf, der sogar deutlich höher ist, als der von Sinterstahl. Besonders der Trockenreibverschleiß bei Ventilführungen aus besagter Legierung ermöglicht den Einsatz in Motoren, die "reinere" Kraftstoffe benötigen, also solche die blei- oder schwefelfrei sind, da in Folge des Nichtvorhandenseins dieser Additive eine zusätzliche verschleißmindernde Wirkung entfällt. Die ist insbesondere bei Temperaturen um 300°C, der Arbeitstemperatur der Ventilführungen in FSI-Motoren, besonders vorteilhaft.
  • Weitere, für die Verwendung als Ventilführung vorteilhafte Eigenschaften der besagten Legierung sind eine hohe Erweichungstemperatur und eine hohe Warmzugfestigkeit.
  • Für Ventilführungen wird eine Kupfer-Zink-Legierung verwendet, die zusätzlich wenigstens eines der folgenden Elemente mit einer Konzentration ≤ 0,05 % Chrom, ≤ 0,05 % Titan, ≤ 0,05 % Zirkon umfasst.
  • Mehrere Ausführungsbeispiele werden anhand der nachstehenden Beschreibung und anhand Tabelle 1 näher erläutert.
  • Derzeit wird als Material für wenig temperaturbeanspruchte Ventilführungen Sinterstahl und Kupfer-Zink-Legierungen mit etwa folgender Zusammensetzung eingesetzt: 56 bis 60 % Kupfer, 0,3 bis 1 % Blei, 0,2 bis 1,2 % Eisen, 0 bis 0,2 % Zinn, 0,74 bis 2 % Aluminium, 1 bis 2,5 % Mangan, 0,4 bis 1 % Silizium sowie Rest Zink nebst unvermeidlichen Verunreinigungen. Im Folgenden wird eine derartige Legierung als Standard-Legierung bezeichnet. Legierung 1 ist ein Beispiel der erfindungsgemäßen Legierung. Legierung 2 ist eine weitere Vergleichslegierung.
  • Das Erweichungsverhalten der verschiedenen Werkstoffe ist bis zu einer Temperatur von 500°C untersucht worden. Dabei hat sich gezeigt, dass die Standardlegierung für Ventilführungen bereits ab einer Temperatur von 100°C einen deutlichen und kontinuierlichen Rückgang ihrer Härte von 195 HV50 auf nur 150 HV50 aufweist. Bei Sinterstahl kommt es im relevanten Temperaturbereich ab 300°C zu einer drastischen Härteabnahme von 195 auf niedrige 130 HV50, wobei die Härte mit zunehmender Temperatur unstetig auf- und abschwankt. Im Gegensatz dazu zeigt Legierung 2 eine um etwa 10 % höhere Härte (224 HV50), die erst ab 350°C auf etwa 170 HV50 abnimmt. Erst ab 450°C werden die Härtewerte von Sinterstahl bei Raumtemperatur erreicht. Im Vergleich zur Standardlegierung liegen die Härtewerte der Legierung 2 stets deutlich über denen der Standardlegierung. Legierung 1 dagegen zeigt einen deutlichen Härtezuwachs von 224 auf 280 HV50 mit steigender Temperatur bis 350°C. Im Vergleich zum Sinterstahl hat Legierung 1 eine um 140 HV50 höhere Härte als Sinterstahl. Legierung 1 hat somit ihr Härtemaximum bei den Temperaturen, die der Arbeitstemperatur von Ventilführungen in FS1-Motoren entsprechen. Die höhere Härte von Legierung 1 und 2 im Vergleich zu den herkömmlich verwendeten Materialien ist einerseits auf die höhere Ausgangshärte zurückzuführen und andererseits auf Aushärteeffekte.
  • Die elektrische Leitfähigkeit kann als Maß für die Wärmeleitfähigkeit herangezogen werden, wobei ein hoher Wert für eine gute Wärmeleitfähigkeit steht. Die elektrische Leitfähigkeit der Standardlegierung beträgt 11 m/Ωmm2. Legierung 2 hat gute eine elektrische Leitfähigkeit von 7,5 m/Ωmm2, was lediglich etwa ein Viertel geringer ist, als bei der Standardlegierung. Die elektrische Leitfähigkeit der Legierung 1 beträgt 4,6 m/Ωmm2. Im Vergleich zu Sinterstahl (3,1 m/Ωmm2) bedeutet dies eine um etwa 48 % höhere elektrische Leitfähigkeit bzw. Wärmeabfuhr. Somit ist im Vergleich zu Sinterstahl die Wärmeabfuhr der Legierungen 1 und 2 deutlich verbessert.
  • Das Verschleißverhalten wurde mit und ohne Schmierstoff untersucht. Mit Schmierstoff hat Sinterstahl die höchste Verschleißbeständigkeit (2500 km/g). Legierung 1 hat eine ebenfalls hervorragende Verschleißbeständigkeit von 1470 km/g, die um mehr als einen Faktor 10 höher ist, als die Verschleißbeständigkeit der Standardlegierung mit 126 km/g. In dieser Größenordnung liegt die Verschleißbeständigkeit der Legierung 2 mit Schmiermittel (94 km/g).
  • Beim Verschleißverhalten ohne Schmierstoff hat sich jedoch gezeigt, dass die Legierungen 1 und 2 deutliche Vorteile gegenüber Sinterstahl und der Standardlegierung haben. Sinterstahl hat einen Verschleiß von 312 km/g, was etwa dem Verschleißverhalten der Standardlegierung mit 357 km/g entspricht. Das trockene Verschleißverhalten der Legierung 2 ist mit 417 km/g deutlich besser als das von Standardlegierung und Sinterstahl. In anderen Worten, der Verschleiß ist deutlich geringer. Legierung 1 weist mit 625 km/g sogar einen im Vergleich zu Sinterstahl doppelt so hohen Verschleißwiderstand auf. Der geringe Trockenreibverschleiß macht die Legierungen 1 und 2 besonders interessant, da durch die motorbedingte zunehmende Reinheit der Kraftstoffe, also ihre Blei- oder Schwefelfreiheit, die verschleißmindernde Wirkung des so genannten "blow by", dem Schmieren durch den Kraftstoff selbst, in dem Additive in Zukunft weniger vorhanden sein werden, unterbleibt.
  • Die Warmzugfestigkeit wurde mit Zugversuchen bei 350°C bestimmt. Die Warmzugfähigkeit der Standardlegierung beträgt 180 N/mm2. Im Vergleich dazu weist Legierung 1 einen doppelt so hohen Betrag auf (384 N/mm2). Im Vergleich zurStandardlegierung weist Legierung 2 eine um ca. 35 % höhere Warmzugfestigkeit auf, dies sind 243 N/mm2.
  • Legierung 1 und Legierung 2 lassen sich bevorzugt herstellen durch halb- oder vollkontinuierlichem Strangguss, Strangpressen, Ziehen und Richten.
  • Legierung 2 und insbesondere Legierung 1 haben gegenüber der bisherigen, als Ventilführungslegierung verwendeten Standardlegierung, sowie im Vergleich zu Sinterstahl, deutliche Vorteile. Diese Vorteile betreffen die Warmzugfestigkeit, die Erweichungstemperatur, die Festigkeit und die Verschleißbeständigkeit. Darüber hinaus ist auch die Leitfähigkeit ausreichend, weshalb die Legierungen 1 und 2 in Bezug auf eine Verwendung als Ventilführung eine erhebliche Verbesserung darstellen, da diese Legierungen den Anforderungen an den Werkstoff bei den erhöhten Betriebstemperaturen in den neuen Motoren entsprechen.
  • Tabelle 1 zeigt die Materialeigenschaften einer Cu-Zn-Standardlegierung, einer Sinterstahllegierung, Legierung 1 und Legierung 2 im Vergleich.
    Eigenschaft Standardlegierung Legierung 1 Legierung 2
    elektr. Leitfähigkeit (m/Ωmm2) 11 4,6 7,5
    Härte (HV50) kaltverformt (10%) 197 224 224
    Verschleiß trocken (km/g) 357 625 417
    Verschleiß geschmiert (km/g) 126 1470 94
    Erweichungstemperatur 10% kaltverformt (°C) 310 480 430
    Warmzugfestigkeit bei 350°C (N/mm2) 173 350 232

Claims (1)

  1. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung für eine Ventilführung, wobei die Legierung
    60 bis 61,5 Gew.-% Kupfer,
    3 bis 4 Gew.-% Mangan,
    2 bis 3 Gew.-% Aluminium,
    0,3 bis 1 Gew.-% Silizium,
    0,2 bis 1 Gew.-% Eisen,
    0 bis 0,5 Gew.-% Blei,
    0,3 bis 1 Gew.-% Nickel,
    0 bis 0,2 Gew.-% Zinn und
    wahlweise zusätzlich wenigstens eines der Elemente
    Vanadium mit bis zu 0,1 Gew.-%, Chrom, Titan oder Zirkon mit bis zu 0,05 Gew.-%,
    ≤ 0,0005 Gew.-% Bor,
    ≤ 0,03 Gew.-% Antimon,
    ≤ 0,03 Gew.-% Phosphor,
    ≤ 0,03 Gew.-% Cadmium oder
    ≤ 0,05 Gew.% Kobalt,
    Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
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