EP1925682A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren oder Turbinen - Google Patents

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EP1925682A1
EP1925682A1 EP07118021A EP07118021A EP1925682A1 EP 1925682 A1 EP1925682 A1 EP 1925682A1 EP 07118021 A EP07118021 A EP 07118021A EP 07118021 A EP07118021 A EP 07118021A EP 1925682 A1 EP1925682 A1 EP 1925682A1
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    • Y10T29/49298—Poppet or I.C. engine valve or valve seat making

Definitions

  • the present invention relates to a method for the production of components for internal combustion engines or turbines, in particular for the production of hollow valve components.
  • valves are moving parts, the drive power to be applied grows exponentially with the weight the oscillating masses, ie the valves. This results in the requirement to further optimize valves in terms of weight without sacrificing mechanical and thermal resistance.
  • Hollow valves with a shaft, a poppet and a valve disc, wherein valve cone and valve disc together form a cavity are, for example, from DE 198 04 053 A1 known. According to the current state, such hollow valves or hollow valve parts are formed either by hot extrusion or compression and forging.
  • the valve cone and valve disc mainly heat-resistant steels such as material no. 1.4882 (X 50 CrMnNiNbN 21 9), 1.4871 (X 53 CrMnNiN 21 9) or 2.4955 (NiFe 25 Cr 20 NbTi).
  • Other materials, in particular titanium-based lightweight materials in powder form can not or not economically be processed into hollow-valve components with said processes because of the high reactivity of titanium with respect to oxygen, nitrogen and carbon and the associated embrittlement of the material.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for producing components for internal combustion engines or turbines, in particular for the production of hollow valve components such as valve cones or valve plates, with which other materials can be processed economically.
  • titanium-based materials can also be economically processed to hollow-valve components in particular with the method according to the invention, thus achieving a further weight saving over known hollow valves.
  • Titanium alloys containing aluminum and / or vanadium as additional constituents are preferably used. These additional alloying ingredients are each preferably contained in an amount of 2 to 10% by weight based on the total weight of the alloy.
  • the binder is preferably selected from the group consisting of: polyamides, polyoxymethylene, polycarbonate, styrene-acrylonitrile copolymer, polyimide, natural waxes and oils, thermosets, cyanates, polypropylene, polyacetate, polyethylene, ethylene-vinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl chloride, polystyrene, Polymethyl methacrylate, anilines, mineral oils, water, agar, glycerol, polyvinyl butyryl, polybutyl methacrylate, cellulose, oleic acid, phthalates, paraffin waxes, carnauba wax, ammonium polyacrylate, diglyceride stearate and oleate, glyceryl monostearate, isopropyl titanate, lithium stearate, monoglycerides, formaldehyde, octyl acid phosphate, olefin sulfonates, phosphate
  • the mixing in the kneader is preferably carried out at a temperature of 50 to 250 ° C, more preferably 90 to 150 ° C.
  • the injection molding is preferably carried out at a temperature of the mixture of 90 to 150 ° C and preferably at a pressure of 400 to 800 bar.
  • the chemical debinding is preferably carried out in a paraffin bath, preferably in a hexane bath.
  • the chemical debinding is carried out at a temperature of preferably 10 to 65 ° C, more preferably from 30 to 50 ° C.
  • the thermal debinding is carried out at a temperature of less than 450 ° C, preferably 200 to 350 ° C and preferably in a vacuum at a pressure of preferably 2 to 20 mbar.
  • the sintering is preferably carried out at 80 to 90% of the melting temperature of the metal or the metal alloy and more preferably in a protective gas atmosphere.
  • the protective gas is argon.
  • the sintering can also be done in a vacuum.
  • the pressure is preferably 10 -3 to 10 -5 mbar.
  • Such Holhventilbaumaschinener produced can be connected to each other in a conventional manner by positive and non-positive and molten joining methods.
  • valve disk and poppet can be joined together by a shrink connection.
  • Valve stem and valve stem can be connected by a molten joining process.
  • a titanium alloy containing 6% by weight of aluminum and 4% by weight of vanadium was processed into a valve disk and a poppet.
  • Valve cones and plates were assembled by means of a shrink connection.
  • Figure 1 shows an illustration of the assembled valve disk and cone in plan view and as a section along the line A-A.
  • Figure 2 shows a manufactured hollow valve member according to the preferred embodiment as a whole component (right) and cut open (left).

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren oder Turbinen, insbesondere zur Herstellung von Hohlventilbauteilen, mit dem neben konventionellen Werkstoffen erstmals puvlerförmige Titanbasislegierungen zu diesen Bauteilen verarbeitet werden können. Bei dem Verfahren werden Metallpulver und/oder Metalllegierungspulver mit einem Bindemittel und gegebenenfalls einem Zuschlagstoff in einem Kneter vermischt, die Mischung durch Spritzgießen in Form gebracht, die in Form gebrachte Masse chemisch entbindert, chemisch entbinderte Masse bei einer Temperatur von weniger als 450°C thermisch entbindert und die chemisch und thermisch entbinderte bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metalllegierung zur Herstellung des Bauteils gesintert. Die Bauteile können auf konventionelle Weise durch form- und kraftschlüssige sowie schmelzflüssige Fügeverfahren miteinander verbunden werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren oder Turbinen, insbesondere zur Herstellung von Hohlventilbauteilen.
  • Von Verbrennungsmotoren werden heutzutage hohe Leistungen und ein geringer Kraftstoffverbrauch erwartet. Ventile zum Gasaustausch, wie sie in Verbrennungsmotoren verwendet werden, müssen sehr hohen Betriebstemperaturen und mechanischen Beanspruchungen standhalten. Einlassventile, die bei jedem Ansaugtakt von kühlen Frischgasen umströmt und gekühlt werden, erreichen Ventilteller-Temperaturen von über 500°C. Auslassventile erreichen Temperaturen von über 800°C.
  • Da es sich bei Ventilen um bewegliche Bauteile handelt, wächst die aufzubringende Antriebsleistung exponentiell mit dem Gewicht der oszillierenden Massen, d. h. der Ventile. Daraus ergibt sich die Forderung, Ventile bezüglich des Gewichts ohne Einbußen der mechanischen und thermischen Festigkeit weiter zu optimieren.
  • Hohlventile mit einem Schaft, einem Ventilkegel und einem Ventilteller, wobei Ventilkegel und Ventilteller gemeinsam einen Hohlraum bilden, sind beispielsweise aus der DE 198 04 053 A1 bekannt. Nach dem derzeitigen Stand werden derartige Hohlventile oder Hohlventilteile entweder durch Warmfließpressen oder Stauchen und Schmieden geformt. Dabei werden für den Ventilkegel und Ventilteller überwiegend hitzebeständige Stähle wie Werkstoff-Nr. 1.4882 (X 50 CrMnNiNbN 21 9), 1.4871 (X 53 CrMnNiN 21 9) oder 2.4955 (NiFe 25 Cr 20 NbTi) verwendet. Andere Werkstoffe, insbesondere Leichtbauwerkstoffe auf Titanbasis in Pulverform lassen sich mit den genannten Verfahren auf Grund der hohen Reaktivität von Titan gegenüber Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff und der damit verbundenen Versprödung des Materials nicht oder nicht wirtschaftlich zu Hohlventilbauteilen verarbeiten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren oder Turbinen, insbesondere zur Herstellung von Hohlventilbauteilen wie Ventilkegeln oder Ventiltellern bereitzustellen, mit dem wirtschaftlich auch andere Materialien verarbeitet werden können.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren oder Turbinen gelöst, bei dem
    1. (a) Metallpulver und/oder Metalllegierungspulver mit einem Bindemittel und gegebenenfalls einem Zuschlagstoff in einem Kneter vermischt werden,
    2. (b) die Mischung durch Spritzgießen in Form gebracht wird,
    3. (c) die in Form gebrachte Masse chemisch entbindert wird,
    4. (d) chemisch entbinderte Masse bei einer Temperatur von weniger als 450°C thermisch entbindert wird,
    5. (e) die chemisch und thermisch entbinderte bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metalllegierung zur Herstellung des Bauteils gesintert wird.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich neben den martensitisch-ferritischen und austenitischen Stählen oder Nikkelbasislegierungen insbesondere auch Titanbasiswerkstoffe wirtschaftlich zu Hohlventilbauteilen verarbeiten, womit eine weitere Gewichtsersparnis gegenüber bekannten Hohlventilen erreicht werden kann. Bevorzugt werden Titanlegierungen verwendet, die Aluminium und/oder Vanadium als zusätzliche Bestandteile enthalten. Diese zusätzlichen Legierungsbestandteile sind jeweils vorzugsweise in einer Menge von 2 bis 10 Gew.-% auf Basis des Gesamtgewichts der Legierung enthalten.
  • Das Bindemittel ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Polyamiden, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat, Polyimid, natürlichen Wachsen und Ölen, Duroplasten, Cyanaten, Polypropylen, Polyacetat, Polyethylen, Ethylen-Vinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polymethylmethacylat, Anilinen, Mineralölen, Wasser, Agar, Glycerin, Polyvinylbutyryl, Polybutylmethacrylat, Cellulose, Ölsäure, Phtalaten, Paraffinwachsen, Carnaubwachs, Ammoniumpolyacrylat, Digylceridstearat und -oleat, Glycerylmonostearat, Isopropyltitanat, Lithiumstearat, Monoglyceriden, Formaldehyd, Octylsäurephosphat, Olefinsulfonaten, Phosphatestern, Stearinsäure und Mischungen derselben. Der Volumentanteil des Bindemittels ist vorzugsweise kleiner als 60%, bevorzugter 20 bis 50%.
  • Die Vermischung im Kneter erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 50 bis 250°C, besonders bevorzugt 90 bis 150°C.
  • Auch das Spritzgießen erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur der Mischung von 90 bis 150°C und bevorzugt bei einem Druck von 400 bis 800 bar.
  • Die chemische Entbinderung erfolgt bevorzugt in einem Paraffinbad, vorzugsweise in einem Hexanbad. Die chemische Entbinderung erfolgt bei einer Temperatur von vorzugsweise 10 bis 65°C, bevorzugter von 30 bis 50°C.
  • Die thermische Entbinderung erfolgt bei einer Temperatur von weniger als 450°C, bevorzugt 200 bis 350°C und vorzugsweise im Vakuum bei einem Druck von vorzugsweise 2 bis 20 mbar.
  • Die Sinterung erfolgt vorzugsweise bei 80 bis 90% der Schmelztemperatur des Metalls bzw. der Metalllegierung und bevorzugter in einer Schutzgasatmosphäre. Vorzugsweise ist das Schutzgas Argon. Alternativ kann die Sinterung auch im Vakuum erfolgen. In diesem Fall beträgt der Druck vorzugsweise 10-3 bis 10-5 mbar.
  • Derartig hergestellte Holhventilbauteile lassen sich auf konventionelle Weise durch form- und kraftschlüssige sowie schmelzflüssige Fügeverfahren miteinander verbinden. Beispielsweise können Ventilteller und Ventilkegel durch eine Schrumpfverbindung zusammengefügt werden. Ventilkegel und Ventilschaft können durch ein schmelzflüssiges Fügeverfahren verbunden werden.
    • Bevorzugte Ausführung:
  • Mit dem oben beschriebenen Verfahren wurde eine Titanlegierung mit 6 Gew.-% Aluminium und 4 Gew.-% Vanadium zu einem Ventilteller und einem Ventilkegel verarbeitet. Ventilkegel und - teller wurden durch eine Schrumpfverbindung zusammengefügt.
  • Figur 1 zeigt eine Abbildung des zusammengefügten Ventiltellers und -kegels in Aufsicht und als Schnitt entlang der Linie A-A.
  • Figur 2 zeigt ein hergestelltes Hohlventilbauteil gemäß der bevorzugten Ausführung als ganzes Bauteil (rechts) und aufgeschnitten (links).

Claims (23)

  1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren oder Turbinen, bei dem
    (a) Metallpulver und/oder Metalllegierungspulver mit einem Bindemittel und gegebenenfalls einem Zuschlagstoff in einem Kneter vermischt werden,
    (b) die Mischung durch Spritzgießen in Form gebracht wird,
    (c) die in Form gebrachte Masse chemisch entbindert wird,
    (d) chemisch entbinderte Masse bei einer Temperatur von weniger als 450°C thermisch entbindert wird,
    (e) die chemisch und thermisch entbinderte bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls und/oder der Metalllegierung zur Herstellung des Bauteils gesintert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauteil um ein Hohlventilbauteil handelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Hohlventilbauteil um einen Ventilkegel handelt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei es sich bei dem Hohlventilbauteil um einen Ventilteller handelt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Metalllgierungspulver eine Titanlegierung verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanlegierung Aluminium und/oder Vanadium als zusätzliche Bestandteile enthält.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Titanlegierung 2 bis 10 Gew.-% Aluminium und/oder 2 bis 10 Gew.-% Vanadium auf Basis des Gesamtgewichts der Legierung enthält.
  8. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichent, dass das Bindemittel ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Polyamiden, Polyoxymethylen, Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat, Polyimid, natürlichen Wachsen und Ölen, Duroplasten, Cyanaten, Polypropylen, Polyacetat, Polyethylen, Ethylen-Vinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polymethylmethacylat, Anilinen, Mineralölen, Wasser, Agar, Glycerin, Polyvinylbutyryl, Polybutylmethacrylat, Cellulose, Ölsäure, Phtalaten, Paraffinwachsen, Carnaubwachs, Ammoniumpolyacrylat, Digylceridstearat und -oleat, Glycerylmonostearat, Isopropyltitanat, Lithiumstrarat, Monoglyceriden, Formaldehyd, Octylsäurephosphat, Olefinsulfonaten, Phosphatestern, Stearinsäure und Mischungen derselben.
  9. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenanteil des Binders am Gemisch weniger als 60% beträgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumentanteil des Bindermittels am Gemisch 20% bis 50% beträgt.
  11. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung im Kneter bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 250°C erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgießen bei einer Temperatur der Mischung von 90 bis 150°C erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzgießen bei einem Druck von 400 bis 800 bar erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Entbinderung in einem Hexanbad erfolgt.
  15. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Entbinderung bei einer Temperatur von 10 bis 65°C erfolgt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Entbinderung bei einer Temperatur von 30 bis 50°C erfolgt.
  17. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Entbinderung bei einem Druck von 2 bis 20 mbar erfolgt.
  18. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung bei 80% bis 90% der Schmelztemperatur des Metalls bzw. der Metalllegierung erfolgt.
  19. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung in einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzgas Argon ist.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung im Vakuum erfolgt.
  22. Hohlventilbauteil, das mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21 herstgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer Titanbasislegierung besteht.
  23. Hohlventilbauteil gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die titanbasislegierung neben Titan 2 bis 10 Gew.-% Aluminium und/oder 2 bis 10 Gew.-% Vanadium enthält.
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