EP4264022B1

EP4264022B1 - Gepanzertes tellerventil und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: EP4264022B1
Application number: EP22707114.9A
Authority: EP
Inventors: Thorsten MATTHIAS; Stefan Kellermann
Original assignee: Federal Mogul Valvetrain GmbH
Current assignee: Federal Mogul Valvetrain GmbH
Priority date: 2021-03-18
Filing date: 2022-02-22
Publication date: 2024-06-05
Anticipated expiration: 2042-02-22
Also published as: US20240159173A1; DE102021106647A1; WO2022194495A1; EP4264022A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum Herstellen eines gepanzerten Tellerventils, so wie ein mit dem Verfahren hergestelltes Tellerventil.
Die Panzerung eines Ventilsitzes bzw. des Teils eines Tellerventils, der mit dem Ventilsitz in einem Zylinderkopf in Kontakt tritt, ist der am stärksten belastete Teil eines Ventils. Die Dichtfläche muss dabei sowohl die Bewegungskräfte beim Öffnen und Schließen bei jedem 2. Takt aufnehmen und zusätzlich die durch den Druck beim Verbrennungsprozess erzeugte Kraft in den Zylinderkopf leiten. Je nach Umdrehungszahl und gewählten Verbrennungsdrücken treten dabei erhebliche Kräfte im Bereich des Ventilsitzes auf.
Jegliche Eigenspannungen, die durch eine Panzerung in diesem Bereich in das Material eingebracht werden, können hier zu einer Rissbildung und damit zu einem Versagen des Ventils und damit des gesamten Motors führen.
Bisher wurden unterschiedliche Ansätze verfolgt, um eine Panzerung auf einer Ventilsitzfläche anzubringen. Die meisten dieser Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie mit einer Wärmebehandlung am mehr oder weniger fertigen Ventil erfolgen, nachdem das Ventil bereits im Wesentlichen seine Endform aufweist. Diese Wärmebehandlungen können zu Spannungen im Material führen.
Es ist also wünschenswert, ein Verfahren anzugeben, das es gestattet ein Tellerventil mit einem gepanzerten Ventilsitz herzustellen, bei dem keine abschließende Wärmeeinwirkung oder Beschichtung notwendig ist.
Dieses Problem wird durch das Verfahren von Anspruch 1 gelöst, wobei vorteilhafte Verfahren und ein mit dem Verfahren hergestelltes Ventil in den abhängigen Ansprüchen beschrieben sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst dabei ein Bereitstellen eines im Wesentlichen zylinderförmigen Halbzeugs aus einem Ventilstahl, wobei dann ein Teil des im Wesentlichen zylinderförmigen Halbzeugs mit einem Panzerwerkstoff beschichtet wird und schließlich das beschichtete Halbzeug zu einem gepanzerten Tellerventil umgeformt wird, wobei das Verfahren weiter ein Umformen des mit dem Panzerwerkstoff beschichteten zylinderförmigen Halbzeugs zu einem becherförmigen Vorformling umfasst. Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Beschichtung eines Tellerventils wird in der DE 36 14 185 A1 offenbart.
In der Grundform ist das im Wesentlichen zylinderförmigen Halbzeug lediglich ein Stahlstift bzw. Rundling aus Ventilstahl. In einem nächsten Schritt wird ein Teil des Halbzeugs mit einem Panzerwerkstoff beschichtet und zu einem gepanzerten Tellerventil umgeformt. Die Kunst bei diesem Verfahren besteht darin, die Beschichtung ohne ein vorheriges Bearbeiten eines Stücks Rundstahl auf dieses aufzutragen und zwar so, dass nach allen folgenden Umformschritten die Beschichtung dort zu liegen kommt, wo sie später gewünscht ist, das heißt am Ventilsitz oder am gesamten Ventilkopf. Hierbei ist es besonders wichtig, die Dicke und die Lage bzw. die Verteilung der Beschichtung so zu wählen, dass bei den folgenden Umformschritten die Beschichtung dorthin wandert bzw. an dem Ort verbleibt wo später ein Ventilkopf oder ein Ventilsitz gebildet wird. In der Grundform kann das Halbzeug auch im Wesentlichen die Form eines flachen Zylinders, also einer Scheibe aufweisen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst dabei ein Bereitstellen eines im Wesentlichen becherförmigen Halbzeugs aus einem Ventilstahl, wobei dann ein Teil des im Wesentlichen becherförmigen Halbzeugs mit einem Panzerwerkstoff beschichtet wird und schließlich wird das beschichtete Halbzeug zu einem gepanzerten Tellerventil umgeformt.
Auch hier wird von einem nur gering bearbeiteten Halbzeug ausgegangen, das in einem vorherigen Schritt durch Pressen oder Fließpressen von einem Stück Rundstahl zu einem im Wesentlichen becherförmigen Halbzeug aus Ventilstahl umgeformt wird. In den nächsten Schritten wird ein Teil des Halbzeugs mit einem Panzerwerkstoff beschichtet und dann zu einem gepanzerten Tellerventil umgeformt. Auch hier besteht der erfinderische Beitrag darin, die Beschichtung ohne ein vorheriges gezieltes Bearbeiten eines becherförmigen Stück Stahls auf dieses aufzutragen und zwar so, dass nach allen folgenden Umformschritten die Beschichtung dort zu liegen kommt, wo sie später gewünscht ist, das heißt am Ventilsitz oder am gesamten Ventilkopf. Hierbei ist es bevorzugt, die Dicke und die Lage bzw. die Verteilung der Beschichtung so zu wählen, dass bei den folgenden Umformschritten die Beschichtung dorthin wandert bzw. verbleibt, wo später ein Ventilkopf oder ein Ventilsitz geformt wird. Die vorliegende Erfindung kann dazu mehrere Versuche benötigen, bis klar ist an welcher Stelle und in welcher Breite und mit welcher Stärke die Beschichtung aufgetragen werden muss, um ein ideales Ergebnis zu erhalten. Dabei sollten wenige Durchgänge nötig sein, da sich die Lage des Panzermaterials mehr oder weniger annähernd linear verhält.
Bei einer weiteren Ausführung des Verfahrens wird das im Wesentlichen zylinderförmige oder im Wesentlichen becherförmige Halbzeug ringförmig beschichtet. Hierbei bildet die Beschichtung im Wesentlichen einen Kreisring, der an einer Stirnfläche angebracht werden kann. Es ist ebenfalls möglich den Kreisring auf einer Mantelfläche aufzubringen. Die Beschichtung soll dabei im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Rotations-Symmetrieachse des im Wesentlichen zylinder- bzw. becherförmigen Halbzeugs aufgebracht werden. Es ist auch möglich die Beschichtung sowohl an einer Stirnfläche als auch an einer Mantelfläche anzubringen, wobei in diesem Fall die Beschichtung um eine Kante zwischen Stirnfläche und Mantelfläche herum angeordnet wird.
Bei einer anderen weiteren Ausführung des Verfahrens wird das im Wesentlichen zylinderförmige oder becherförmige Halbzeug an einer Stirnfläche in Form eines Kreises oder eines Kreisrings beschichtet. Diese Ausführung dient zum Beschichten eines scheibenförmigen Rohlings aus dem durch Durchdrücken, Tiefziehen oder Rückwärtsfließpressen ein Hohlventil geformt werden kann. Dabei kann mit dem Kreisring ein gepanzerter Ventilsitz und mit dem Kreis bzw. der Kreisfläche ein vollständig gepanzerter Ventilteller hergestellt werden.
Bei einer zusätzlichen Ausführungsform des Verfahrens wird das im Wesentlichen zylinderoder becherförmige Halbzeug becherförmig beschichtet. Dabei wird eine Stirnfläche vollständig beschichtet und ein angrenzender Teil einer Mantelfläche wird ebenfalls beschichtet. In diesem Fall erstreckt sich die Beschichtung nur über einen kleinen Teil der Länge des Halbzeugs. Auch diese Art der Beschichtung dient zum Herstellen von Ventilen mit vollständig beschichtetem Ventilkopf.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Verfahren wird das becherförmig beschichtete, zylinderförmige oder becherförmige Halbzeug so umgeformt, dass bei dem Fertigen Ventil die Beschichtung eine Ventiltellerfläche und einen Ventilsitz des Tellerventils panzert. Hierbei ist die Beschichtung so zu wählen, dass sie auch nach dem Umformen zumindest den, dem Brennraum und dem Ventilsitz zugewandten Teil des Tellerventils bedeckt.
Bei einer zusätzlichen Ausführung des Verfahrens wird das becherförmig beschichtete, zylinderförmige oder becherförmige Halbzeug so umgeformt, dass ein Ventilkopf einschließlich einer Ventiltellerfläche und einem Ventilsitz des gepanzert sind. Hier erstreckt sich die Panzerung bei dem fertigen Ventil auch über die Ventilrückseite bzw. den Übergang des Ventils zu dem Ventilschaft. Diese Ausführung gestattet es einfache herstellung eines auch auf einer Ventiltellerrückseite gepanzerten Ventils.
Bei einer anderen Ausführung des Verfahrens wird das im Wesentlichen zylinderförmige oder becherförmige Halbzeug durch Auftragsschweißen, Reibschweißen, Thermisches Spritzen, Pulvermetallurgischen Materialauftrag, Selektives Laserschmelzen, d. h. einem Laserauftragsverfahren, einem Metallpulverauftrag und/oder Plasma-Pulver-Auftragsschweißen beschichtet.
Das vorliegende Verfahren kann zur Herstellung des Ventils verschiedener Arten von Ventilstählen, ausgewählt werden. Es können austenitische Ventilstähle verwendet werden wobei die Stahlsorten 1.4882 und 21871 bevorzugt sind. Es ist ebenfalls möglich martensitische Ventilstähle zur Herstellung des Ventilkörpers zu verwenden wobei die Stahlsorte 1.4718 bevorzugt wird. Es kann als Werkstoff für den Ventilkörper auch Nickelbasislegierung wie bevorzugt Nimonic^® 80A zum Einsatz kommen. Diese Materialien eignen sich als Ausgangsstoff für das Halbzeug bzw. das becherförmige Halbzeug.

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens kann der Ventilstahl ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus:

X45CrSi9-3,	1.4718 / Sill;
X85CrmoV13-02,	1.4748 / Cromo 193;
X53CrMnNi21-09,	1.4871 / 21-4N;
X50CrMnNiNbN21-09,	1.4882/21-43;
X30CrMnNiNbV25-12,	25-12NbN;
NFC 3015,	3015D
Ni36,
Ni80A;
NiCr20TiAl 2.4352, sowie

1541, 1038, 4140, A193, 21-2N, 21-4N, Resistel, Pyromet 31V und Inocel 751. Diese Materialen sind insbesondere als Grundmaterialien für einen Auftrag mit einem aufgetragenen Panzermaterial geeignet. Alle angegebenen Materialien können ebenfalls noch unvermeidbare Verunreinigungen umfassen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens kann der Panzerwerkstoff als ein Chrom- oder Nickel Basis Pulver gewählt werden. Es ist auch vorgesehen beispielsweise bevorzugt T400, oder weiter bevorzugt Stellite^® 6 als Panzerwerkstoff auszuwählen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform des Verfahrens kann der Panzerwerkstoff als ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus:

CoCr26Ni22W,
CoCr30W,
CoCr28W, oder
Ni90, Ni90 ist eine Legierung, die zu 90 Gew.-% aus Nickel und zu 10 Gew.-% aus Chrom besteht. Alle angegebenen Werkstoffe können auch unvermeidbare Verunreinigungen umfassen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Panzerwerkstoff ausgewählt aus der Gruppe umfassend:
Stellite#1, Stellite#6 /P58, P37, P27, P25, P65, P39, P40, P82, RC52.
Bei der Erfindung wird das mit dem Panzerwerkstoff beschichtete, im Wesentlichen zylinderförmige Halbzeug zu einem im Wesentlichen becherförmigen Vorformling ungeformt. Diese Umformung kann durch Fließpressen, Rückwärtsfließpressen Gesenkschmieden oder Tiefziehen ausgeführt werden. Hier wird entweder mit einem entsprechenden Gesenk ein Dorn in den Zylinder getrieben oder das zylinderförmige Halbzeug wird auf eine andere Art so umgeformt, dass es sich als Hohlteil zur Formung eines Hohlventils eignet.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines gepanzerten Tellerventils, umfasst das Umformen des mit dem Panzerwerkstoff beschichteten im Wesentlichen zylinderförmigen Halbzeugs oder des becherförmigen Vorformling zu einem Tellerventil Schmieden, Gesenkschmieden, Stauchen, Fleißpressen, Ziehen, Verjüngen und Walzen, bevorzugt Drückwalzen oder bevorzugt Querwalzen und/oder Kaltprägen.
Insbesondere wird ein Stauchverfahren eines achsensymmetrischen Schmiedeteiles in mehreren Umformschritten in einem Gesenk bevorzugt. Vor dem Umformen wird dabei mindestens ein Teil des Werkstückes in einem Ofen, beispielsweise einem Induktionsofen, auf Schmiedetemperatur erwärmt.
Durch Gesenkschmieden, Stauchen, Fleißpressen, Ziehen, und Verjüngen sowie Drückwalzen, kann weiterhin ein Hohlraum in dem Ventil durch Umformen hergestellt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, umfasst dieses weiter ein Erzeugen eines Hohlraums in mindestens dem Ventilschaft und/oder in dem Ventilkopf durch Bohren, Fräsen, Drehen, Funkenerosion und/oder elektrochemisches Abtragen.
In dieser Ausführungsform wird ein Ventil ausgehöhlt oder ein Hohlraum in dem Ventil wird weiter bearbeitet um ihn zu vergrößern oder zu glätten.
In einer zusätzlichen Ausführungsform des Verfahrens, umfasst dieses weiter ein Füllen des Hohlraums in dem Ventil mit Natrium, gefolgt von einem Verschließen des Hohlraums. Dies kann durch ein Zusammenwalzen eines Schaftendes oder durch ein Verschließen des Schaftendes beispielsweise durch Reibschweißen geschehen. Die Abfüllung des Natriums wird bevorzugt unter einer Schutzatmosphäre und das Verschließen des Hohlraums bevorzugt unter einem Unterdruck oder Vakuum, ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird ein Tellerventil bereitgestellt, das mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt wurde.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von schematischen und nicht maßstabgerechten Figuren veranschaulicht.
Figuren 1A bis 1C zeigen eine nicht erfindungsgemäße erste Ausführung eines Verfahrens zur Herstellung eines an dem Ventilsitz gepanzerten Ventils.

Figuren 2A bis 2D zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines an dem Ventilsitz gepanzerten Hohlventils.
Figuren 3A bis 3C zeigen ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines am Ventilkopf gepanzerten Ventils.
Figuren 4A bis 4D zeigen ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines am Ventilkopf gepanzerten Ventils, das später ausgehöhlt wird.
Figuren 5A bis 5D zeigen ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines am Ventilkopf gepanzerten Ventils.

Im Folgenden werden sowohl in der Beschreibung als auch in den Figuren gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Elemente oder Komponenten Bezug zu nehmen.
Figur 1A zeigt ein im Wesentlichen zylindrisches Halbzeug 2 aus Ventilstahl 6, das an einer Mantelfläche des Halbzeugs 2 mit einer ringförmigen Beschichtung 20 aus einem Panzerwerkstoff versehen ist. Der Panzerwerkstoff kann durch verschiedene Auftragsverfahren auf die Mantelfläche aufgetragen werden. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass das Halbzeug vorher nicht bearbeitet werden muss, um beispielsweise eine Nut oder dergleichen in den Rohling einzubringen. Es kann vorteilhaft sein die Oberfläche vor dem Beschichten zu säubern oder vorzubereiten, um eine gute Haftung zwischen dem Panzermaterial und dem Ventilstahl zu erreichen.
In Figur 1B ist der Rohling durch Stauchen des Kopfes und/oder durch Verjüngen des Schaftes zu einem Vorformling umgeformt. Das Panzermaterial 20 bildet immer noch einen Kreisring an einer Mantelfläche eines Teils, aus dem später der Ventilkopf geformt wird. Das in Figur 1 erhaben aufgetragene Panzermaterial 20 wurde beim Stauchen eingeebnet und in den Vorformling aus Ventilstahl eingepresst. Bei diesem Umformvorgang wird das Panzermaterial 8 mit dem Ventilstahl 6 feuerverschweißt, wodurch eine feste Verbindung zwischen Ventilstahl 6 und Panzermaterial 8 erreicht wird.
Figur 1C stellt ein fertig umgeformtes Ventil dar (wobei lediglich ein Ventilschaftende nicht dargestellt ist). Durch eine mehrstufige Umformung in mehreren Stauchgesenken kann aus dem Vorformling von Figur 1B das fertige Ventil gebildet werden. Das Ventil ist als massives Ventil ausgeführt. Je nach dem Ort und der Form des Auftrags des Panzermaterials in Figur 1A kann die Lage und die Form der Panzerung am Ventilsitz 42 beeinflusst werden. Dies kann jedoch durch verschiedene Simulationsverfahren und wenig Versuche erreicht werden. Es könnte beispielsweise ein Rohling bzw. ein Halbzeug aus einem Schichtmaterial wie Damaszenerstahl gefertigt werden, das in Kombination mit einem mehrfarbigen Beschichtungsmaterial bereits beim Herstellen eines einzigen Ventils Aufschluss darüber gibt wie, sich ein Stahl beim Gesenkschmieden verhält und wo und wie das Panzermaterial auf den Rohling aufgetragen werden soll. Hier kann mit wenigen Simulations- oder Schmiedetestschritten eine gesonderte spanende oder schmiedende Bearbeitung des Rohlings entfallen. Weiterhin weist dieses Verfahren den Vorteil auf, dass das Panzermaterial 8 bei jedem Umformvorgang mit dem Ventilstahl 6 feuerverschweißt wird. Da hier eine Warmumformung vorgesehen ist, wird es bei dem Panzermaterial 8 beim Umformen nicht zu einer Rissbildung kommen.
Figuren 2A bis 2D zeigen im Prinzip ein ähnliches Verfahren wie die Figuren 1A bis 1C, mit dem Unterschied, dass ein im Wesentlichen becherförmiges Halbzeug 4 verwendet wird. Weiterhin wird das Panzermaterial 8 oben auf eine Stirnseite 16 des im Wesentlichen becherförmiges Halbzeug 4 aufgetragen und bildet dort eine ringförmige Beschichtung der Stirnfläche. In einem ersten Schritt wird das im Wesentlichen becherförmige Halbzeug 4 gezogen oder tiefgezogen.
In Figur 2B ist das Ergebnis des Tiefziehens des Bauteils von Figur 2A dargestellt. Durch das Tiefziehen wurde die Beschichtung der Stirnfläche an eine Mantelfläche verschoben, und der becherförmige Charakter des Teils ist nun klar zu erkennen. In einem weiteren Schritt wird dieses Bauteil gestaucht und/oder an einem späteren Schaft verjüngt, wie es in der Figur 2C dargestellt ist. Dies kann durch Stauchen und Querwalzen oder Verjüngen erreicht werden. Der Hohlraum des im Wesentlichen becherförmigen Halbzeugs kann nun in einen Teil, der einem Ventilkopf 36 zugeordnet werden kann und einen Teil, der einem Ventilschaft 34 zugeordnet werden kann, aufgeteilt werden.
In Figur 2D ist das fertige Hohlventil zu erkennen, bei dem der Ventilkopf vollständig ausgebildet ist, die Panzerung des Ventilsitzes an der richtigen Stelle liegt und der Hohlraum des Ventils einen Hohlraum im Ventilkopf 36 und einen Hohlraum im Ventilschaft 34 umfasst. Hier kann es notwendig sein, das Ventil beim Schmieden mit einem Material zu füllen, das später ausgeschmolzen werden kann, um zu verhindern, dass beim Schmieden der Hohlraum einfach nur zusammengedrückt wird. Nun kann das Ventil noch mit Natrium gefüllt und an einem Ventilschaftende verschlossen werden.
Figuren 3A bis 3C zeigen ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines am Ventilkopf gepanzerten Ventils. Figur 3A zeigt dabei ein im Wesentlichen zylindrisches Halbzeug 2 aus einem Ventilstahl 6. Das Halbzeug 2 ist an einem oberen Ende mit einem Panzerwerkstoff 8 beschichtet. Die Beschichtung ist dabei im Wesentlichen becherförmig 26 und erstreckt sich über die gesamte Stirnfläche sowie einen Teil der Mantelfläche des Halbzeugs 2. Diese Darstellung zeigt, dass die Beschichtung insbesondere nicht überall eine einheitliche Dicke aufweisen muss. Die lokale Dicke der Beschichtung kann variiert werden, um eine gewünschte Dicke des Panzerwerkstoffs am fertigen Ventil zu erreichen. Hier kann ein beliebiges Verfahren zum Beschichten gewählt werden. Es kann beispielsweise ein glühendes Halbzeug in ein Metallpulver mit einem Binder getaucht werden, um Partikel eines Panzermaterials bzw. des Binders aufzuschmelzen und mit dem Halbzeug zu verbinden.
Die folgenden Schritte der Figuren 3B und 3C entsprechen denen der Figuren 1B und 1C, wobei sich die Beschichtung bzw das Panzermaterial 8 bei dem fertigen Ventil nicht nur an dem Ventilsitz erstreckt sondern auch den gesamten Ventilkopf und insbesondere die Ventiltellerfläche bedeckt.
Figuren 4A bis 4D zeigen ein Verfahren, das zu dem der Figuren 3A bis 3C weitgehend identisch ist. Im Gegensatz zu der Figur 3A weist die Beschichtung bei der Figur 4A eine weitgehend gleichmäßige Dicke auf. Die äußere Form der Beschichtung ist im Wesentlichen eine Kombination aus einer ebenen Beschichtung der Stirnfläche und einer gleichmäßigen Beschichtung eines Teils der Mantelfläche des zylindrischen Halbzeugs 2. Die Figuren 4B und 4C entsprechen jeweils den Figuren 3B und 3C. In Figur 4D ist das Ventil von Figur 4C dargestellt, wobei in einem zusätzlichen Schritt der Schaft durch Bohren oder Drehen ausgehöhlt wurde. In dem Ventilkopf wurde dann ein Hohlraum 36 durch elektrochemisches Abtragen erzeugt. Nun kann das Ventil noch mit Natrium als Kühlmittel gefüllt und dann verschlossen werden.
Figuren 5A bis 5D zeigen ein Verfahren, das zu dem der Figuren 4A bis 4D weitgehend identisch ist. Im Gegensatz zu der Figur 4A weist die Beschichtung bei der Figur 5A eine weitgehend gleichmäßige Dicke auf. Im Gegensatz zu der Figur 4A erstreckt sich die Beschichtung viel weiter entlang der Mantelfläche des Halbzeugs 2 aus Ventilstahl 6. Die äußere Form der Beschichtung ist im Wesentlichen eine Kombination aus einer ebenen Beschichtung der Stirnfläche und einer gleichmäßigen Beschichtung eines Teils der Mantelfläche des zylindrischen Halbzeugs 2, wobei dich die Beschichtung viel weiter in axialer Richtung erstreckt. Die Figuren 5B und 5C entsprechen jeweils den Figuren 4B und 4C, wobei sich auch hier die Beschichtung viel weiter in axialer Richtung erstreckt. Die Beschichtung erstreckt sich hier nicht nur im Bereich des Ventilsitzes sonder über den gesamten Ventilkopf bis zum Ventilschaft. In Figur 5D ist das Ventil von Figur 5C dargestellt, wobei in einem zusätzlichen Schritt der Schaft durch Bohren oder Drehen ausgehöhlt wurde. In dem Ventilkopf wurde dann ein Hohlraum 36 beispielsweise durch elektrochemisches Abtragen erzeugt. Auch kann das Ventil noch mit Natrium als Kühlmittel gefüllt und dann verschlossen werden.
Figuren 6A bis 6D zeigen ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines am Ventilkopf gepanzerten Ventils. Hier wird von einem zylinderförmigen Halbzeug 2 ausgegangen, das im Wesentlichen eine Scheibe bildet. Auf der Scheibe ist ebenfalls eine im Wesentlichen scheibenförmige Beschichtung aufgebracht. In der Figur 6B ist ein Hohlkörper dargestellt, der aus der Scheibe oder Ronde von Figur 6A durch Tiefziehen umgeformt wurde. Wie die Scheibe wurde auch die scheiben- bzw. kreisförmige Beschichtung zu einer im Wesentlichen becherförmigen Beschichtung 26 aus Panzermaterial umgeformt. Die weiteren Schritte die in den Figuren 6C und 6D dargestellt sind entsprechen dem Gegenstand, der in den Figuren 2C und 2D dargestellt ist mit dem Unterschied, dass hier der gesamte Ventilkopf und insbesondere die Ventiltellerfläche beschichtet ist. In den Hohlraum des Ventils von Figur 6D ist nun Natrium eingefüllt worden, und der Hohlraum kann dann an einem Ventilschaftende verschossen werden.
Es wird ermöglicht, ein Tellerventil hauptsächlich durch Warmumformen herzustellen, wodurch eine ungleichmäßige thermische Belastung des Ventiltellers bei einer Beschichtung mit einem Panzerwerkstoff vermieden werden kann. Durch die Umformschritte insbesondere durch ein Gesenkschmieden wird das Panzermaterial mit dem Ventilstahl verbunden.

Bezugszeichenliste

2.: im Wesentlichen zylinderförmiges Halbzeug
4: im Wesentlichen becherförmiges Halbzeug
6: Ventilstahl,
8: Panzerwerkstoff
10: gepanzertes Tellerventil.
12: zylinderförmige Außenoberfläche
14: Mantelfläche
16: Stirnfläche
20: ringförmige Beschichtung an der Mantelfläche
22: ringförmige Beschichtung an der Stirnfläche
24: flächige Beschichtung an der Stirnfläche
26: Becherförmige Beschichtung an Stirn und Mantelfläche
30: Ventilschaft
32: Ventilkopf
34: Hohlraum im Ventilschaft
36: Hohlraum im Ventilkopf
40: Panzerung am Ventilkopf
42: Panzerung am Ventilsitz

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10), umfassend:
Bereitstellen eines im Wesentlichen zylinderförmigen Halbzeugs (2) aus einem Ventilstahl (6),

Beschichten eines Teils des im Wesentlichen zylinderförmigen Halbzeugs (2) mit einem Panzerwerkstoff (8), und

Umformen des beschichteten Halbzeugs zu einem gepanzerten HohlTellerventil.

wobei das Verfahren weiter ein Umformen des mit dem Panzerwerkstoff (8) beschichteten im Wesentlichen zylinderförmigen Halbzeugs (2) zu einem in Wesentlichen becherförmigen Vorformling umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10), umfassend:
Bereitstellen eines im Wesentlichen becherförmigen Halbzeugs (4) aus einem Ventilstahl (6), mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen Außenoberfläche,

Beschichten eines Teils der im Wesentlichen zylinderförmigen Außenoberfläche mit einem Panzerwerkstoff (8), und

Umformen des beschichteten Halbzeugs zu einem gepanzerten Hohl-Tellerventil.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen zylinderförmige oder becherförmige Halbzeug (2, 4) ringförmig, in Form eines Kreisrings entlang einer Mantelfläche beschichtet wird.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen zylinderförmige oder becherförmige Halbzeug (2, 4) an einer Stirnfläche in Form eines Kreises oder eines Kreisrings beschichtet wird.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen zylinderförmige oder becherförmige Halbzeug(2, 4) becherförmig beschichtet wird, umfassend eine Beschichtung an einer Stirnfläche und einem angrenzenden Teil einer Mantelfläche.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das becherförmig beschichtete im Wesentlichen zylinderförmige oder im Wesentlichen becherförmige Halbzeug(2, 4) so umgeformt wird dass eine Ventitellerfläche und ein Ventilsitz des Tellerventils gepanzert sind.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das becherförmig beschichtete im Wesentlichen zylinderförmige oder im Wesentlichen becherförmige Halbzeug(2, 4) so umgeformt wird, dass ein Ventilkopf einschließlich einer Ventiltellerfläche und einem Ventilsitz des gepanzert sind.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das im Wesentlichen zylinderförmige oder becherförmige Halbzeug(2, 4) durch
Auftragsschweißen, bevorzugt Plasma-Pulver-Auftragsschweißen,

Reibschweißen,

Thermisches Spritzen

Pulvermetallurgischen Materialauftrag

Selektives Laserschmelzen,

Laserauftragsverfahren und/oder

Metallpulverauftrag mit dem Panzerwerkstoff (8) beschichtet wird.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der Ventilstahl (6), ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
austenitischen Ventilstählen,

martensitischen Ventilstählen, und/oder

einer Nickelbasislegierung.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) nach Anspruch 9,
wobei der Ventilstahl (6), ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: X45CrSi9-3, 1.4718 / Sill; X85CrmoV13-02, 1.4748 / Cromo 193; X53CrMnNi21-09, 1.4871 / 21-4N; X50CrMnNiNbN21-09, 1.4882/21-43; X30CrMnNiNbV25-12, 25-12NbN; NFC 3015, 3015D Ni36, Ni80A; NiCr20TiAl, 2.4352.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) nach einem der Ansprüche 1-10,
wobei der Panzerwerkstoff (8) aus Chrom oder Nickel Basis Pulver, bevorzugt T400.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) nach einem der Ansprüche 1-10,
wobei der Panzerwerkstoff (8) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
CoCr26Ni22W,

CoCr30W,

CoCr28W, oder

Ni90, einer Legierung aus 90 Gew.-% Nickel und 10 Gew.-% Chrom.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 12, wobei Umformen des mit dem Panzerwerkstoff (8) beschichteten im Wesentlichen zylinderförmigen oder becherförmigen Halbzeugs oder des becherförmigen Vorformling zu einem Tellerventil Schmieden,
Gesenkschmieden,

Stauchen

Fleißpressen,

Ziehen,

Verjüngen und

Walzen

Drückwalzen,

Querwalzen oder

Kaltprägen umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13, weiter umfassend Erzeugen eines Hohlraums in mindestens dem Ventilschafts und/oder in dem Ventilkopf durch
Bohren

Fräsen

Drehen

Funkenerosion und/oder

elektrochemisches Abtragen

umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines mindestens im Bereich eines Ventilsitzes gepanzerten Tellerventils (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 14, weiter umfassend Füllen des Hohlraums in dem Ventil mit Natrium und
Verschließen des Hohlraums.
Gepanzertes Tellerventil (10) hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15.