NL2001869C2 - Cilinderkop met klepzitting alsmede werkwijze voor het vervaardigen daarvan. - Google Patents

Description

Cilinderkop met klepzitting alsmede werkwijze voor het vervaardigen daarvan.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een cilinderkop uit gietijzer met daarin aangebrachte klepzittingen.

5 Een dergelijke cilinderkop is in de stand der techniek algemeen bekend. Daarbij wordt ter plaatse van de beoogde klepzitting een ringvormige kamer uitgefreesd en daarin wordt vervolgens een uit een speciaal materiaal bestaande klepzitting aangebracht. Het gebruikte materiaal heeft die eigenschappen die vereist zijn voor het herhaaldelijke contact met de steeds sluitende klep. Dit zijn tribologische eigenschappen, 10 als weerstand tegen abrasie, adhesie en tribo-chemische aantasting, vermoeiingseigen-schappen, en andere sterkte-eigenschappen die bovendien bij hoge temperatuur gehandhaafd dienen te worden. Afhankelijk van de gebruikte brandstof nemen deze mechanische eisen verder toe. In het algemeen heeft gietijzer deze mechanische eigenschappen niet zodat het noodzakelijk is een deigelijke klepzitting, in de vorm van een 1S ring, aan te brengen.

Het aanbrengen van dergelijke ringen is arbeidsintensief. Bovendien neemt deze ring kostbare ruimte in. Een prominente belasting van de cilinderkop is de zogenaamde Thermo Mechanische Vermoeiing (TMF), welke sterk gerelateerd is aan de maximale temperatuur van de cilinderkop. Om de thermische belasting op het materiaal rondom 20 de in- en uitlaat te verlagen worden koelkanalen zo dicht mogelijk tegen het oppervlak van de cilinderkop gepositioneerd. Als gevolg van de uitgefreesde ruimte ten bate van de klepzitting liggen deze koelkanalen echter verder weg dan wenselijk en wordt de belasting op het materiaal van de cilinderkop verhoogd.

Daarnaast is er sprake van een warmteweerstand tussen de ingeperste klepzitting 25 en de uitgefreesde kamer van de cilinderkop ten gevolge van een beperkte spleet (op microschaal) tussen beide lichamen, welke de warmteafvoer naar de cilinderkop beperkt.

Omgekeerd geredeneerd resulteert de noodzaak om een klepzitting aan te brengen in uitgefreesde kamers in een verkleinde diameter van de in- en uitlaatkanalen. Deze 30 verkleinde diameter van de in- en uitlaatkanalen resulteert in een gereduceerde efficiency van de motor, omdat de aan- en afvoer van de verbrandingsgassen wordt bemoeilijkt

Voor met name lichtere motoren zoals benzinemotoren en dieselmotoren toegepast in automobielen is het gebruik van aluminium als materiaal voor cilinderkoppen 2001869 2 bekend. Omdat aluminium in het geheel niet de mechanische eigenschappen heelt vereist voor klepzittingen worden daarbij altijd ringen uit speciaal materiaal toegepast. Om de daarmee samenhangende inspanning te verminderen is bijvoorbeeld in DE 10151716 Al voorgesteld om direct op het aluminium met cladden een bekledingslaag 5 aan te brengen. Gebleken is dat daarbij bijzonder grote problemen ontstaan die met name terug te voeren zijn tot verschillende thermische uitzettingscoëfFiciënten tussen de opgebrachte laag en het aluminium. Echter speelt een dergelijk probleem eveneens bij het aanbrengen van klepzittingen in een aluminium cilinderkop.

Het doel van de onderhavige uitvinding is een cilinderkop van gietijzer materiaal 10 te voorzien van een klepzitting die verbeterde mechanische eigenschappen heeft en welke klepzitting op eenvoudige wijze aangebracht kan worden en waarvan de verwachte levensduur aanzienlijk groter is dan de levensduur van uit de stand der techniek bestaande combinaties van cilinderkop uit gietijzer en klepzitting.

Dit doel wordt bij een cilinderkop uit gietijzer verwezenlijkt welke omvat een 15 daarin aangebrachte klepzitting, welke klepzitting omvat een in het gietijzermateriaal aangebrachte ringvormige boring, een daarop aangebrachte tussenlaag op nikkelbasis en een op die tussenlaag aangebrachte contactlaag, welke contactlaag omvat een lucht-hardend gereedschapstaal, waarbij die lagen zodanig aangebracht zijn, dat nabij het vrije oppervlak van die contactlaag een ringvormig werkende drukspanning aanwezig 20 is.

Het voor de cilinderkop toegepaste gietijzer is bij voorkeur vermiculair gietijzer. Door het gebruik van dergelijke gietijzermaterialen neemt de vermoeiingssterkte aanzienlijk toe.

Gebleken is dat indien een luchthardend gereedschapstaal als laag en meer in het 25 bijzonder als contactlaag voor een klepzitting opgebracht wordt een dergelijk materiaal bij het opbrengen de "harde" structuur aanneemt. Dit zal in het algemeen een martensi-tische structuur zijn. Onder contactlaag wordt hier verstaan die laag die in contact is met de sluitende klep.

Gebleken is dat door het op deze wijze aanbrengen door de fase transformatie een 30 compressie in het materiaal van de contactlaag aangebracht wordt. Deze drukspanning voorkomt het ontstaan van scheuren in de contactlaag hetgeen enerzijds lekkage voorkomt en anderzijds effecten van vermoeiing tegengaat Bij het door de klep raken van 3 de contactlaag wordt deze kracht in hoofdzaak door de drukspanning opgenomen en kan een eventuele trekbelasting zeer beperkt blijven.

De vermoeiingsbelasting waaraan een klepzitting en meer in het bijzonder de contactlaag daarvan onderworpen wordt moet onderscheiden worden van de belasting 3 die twee langs elkaar glijdende oppervlakken hebben. In het laatste geval worden slijtlagen gebruikt die uit stelliet en dergelijke bestaan. Een dergelijke belasting van ten opzichte van elkaar heen- en weergaande delen levert niet de vermoeiingsbelasting op die ontstaat bij het steeds raken van een klep in een klepzitting. Dit uit zich bij de aanwezigheid van eventuele scheuren in een oppervlaktelaag. Deze hebben bij het langs 10 elkaar bewegen van twee delen geen effect en kunnen zelfs dienen voor het ontvangen van smeermiddel. Bij de contactbelasting zoals die bij kleppen-klepzittingen optreedt zijn dergelijke scheuren niet toelaatbaar omdat deze het begin zijn van het doorscheuren van de klepzitting en bovendien het begin zijn van een lekkagespoor waardoor erosie verder zal vergroten.

13 Onder een luchthardend gereedschapstaal wordt een staalsoort verstaan dat in hoofdzaak ijzer omvat met daaraan toegevoegd koolstof, chroom en molybdeen. Eventueel zijn elementen als kobalt, wolfraam, vanadium, silicium en mangaan aanwezig.

Bij voorkeur worden de hierboven beschreven lagen met cladden aangebracht en -meer in het bijzonder met lasercladden of PTAW-cladden (Plasma Transfer Are 20 Welding) van zowel de tussenlaag als de contactlaag bij voorkeur in poedervonn toegevoerd waarbij vanzelfsprekend eisen gesteld worden aan de materiaal eigenschappen zoals korrelgrootte en dergelijke. Luchthardende gereedschapstalen die goede resultaten geven zijn bekend onder de merknamen Vanadis® en Micromelt®, in het bijzonder de typen 23 en 30. Echter begrepen moet worden dat ook andere luchthardende gereed· 23 schapstalen bij de onderhavige uitvinding kunnen voldoen. Dit zijn de gereedschapstalen waarvoor geldt: - Staal met totaal minder dan 30 % legeringselementen van Mn, Cr, Mo, W, V en Co, - In poedervorm en als draad, - Een afkoelsnelheid, Ateoo-soo > 300 s waarbij door martensietvorming nog tenminste 30 een hardheid van 630 HV (Vickershardheid) ontstaat Onder Atsoo-soo > 300 s wordt verstaan een afkoelt ij d van meer dan 300 seconden in het traject van 800°C tot 300*C. Dat wil zeggen bij kortere afkoeltijden dan 300 s dient steeds een hardheid van ten minste 630 HV te ontstaan.

4

De tussenlaag is in het bijzonder aanwezig om de samenstelling van de contact-laag zoveel mogelijk constant te houden en meer in het bijzonder migreren van lege-ringselementen uit de contactlaag in het gietijzer en migratie van in het bijzonder koolstof uit het gietijzer naar de contactlaag te voorkomen. Een legering met een hoog 5 Nickel percentage (vanaf 40%) voldoet bijzonder goed. Inconel is hier een voorbeeld van.

De hierboven beschreven drukspanning in de contactlaag en meer in het bijzonder nabij het vrije einde daarvan dat in contact komt met de klep is bij voorkeur 200 - 600 MPa.

10 De dikte van de tussenlaag is bij voorkeur tenminste 0,2 mm. De dikte van de tussenlaag wordt gemeten tussen de smeltlijn van de tussenlaag met het gietijzer en de smeltlijn van de tussenlaag met de contactlaag. De contactlaag heeft een dikte van tenminste 1 mm. Echter zal deze in het algemeen wat dikker zijn omdat na het aanbrengen van de contactlaag nog een verspanende eindbehandeling daaraan plaatsvindt 15 voor het uiteindelijk vormgeven van de klepzitting. Meer in het bijzonder kan de contactlaag uit twee lagen opgebouwd zijn die hetzij dezelfde samenstelling kunnen hebben hetzij enigszins van elkaar kunnen afwijken.

Na het aanbrengen van de verschillende lagen in een eerder aangebrachte boring in de cilinderkop wordt de cilindetkop alsnog gevlakt waarbij de tussenlaag bij het 20 kopoppervlak vrij komt te liggen. Als voorbeeld wordt een totale laagdikte voor bewerking van ongeveer 2-3 mm genoemd waarin begrepen zijn de dikte van de tussenlaag en de contactlaag.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het in een cilinderkop aanbrengen van een klepzitting, omvattende het voorzien in een ringvormige 25 boring, het in die boring aanbrengen van een tussenlaag op nikkelbasis door uitgaande van een poeder en/of draad, dit met een lasboog neer te slaan, gevolgd door het aanbrengen van een contactlaag, omvattende het uitgaande van een poedervormig lucht-hardend gereedschapstaal neerslaan daarvan met een lasboog op een tussenlaag.

In het bijzonder wordt daarbij een afkoelsnelheid van ten hoogste 500 seconden 30 aangehouden in het traject tussen 800 en 500'C.

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van een schematisch in de tekening afgebeeld uitvoeringsvoorbeeld verduidelijkt worden. Daarbij toont: 5

Fig. 1 schematisch een gietijzeren cilinderkop;

Fig. 2a-2b details van de daarin aangebrachte klepzitting in verschillende stadia van de productie daarvan; 5 Fig. 3a-3b details van resp. fig. 2a en fig. 2b.

In fig. 1 is met 1 een cilinderkop afgebeeld in het onderhavige geval van een vier-cilindermotor.

Begrepen zal worden dat de onderhavige uitvinding toepasbaar is bij elk aantal 10 cilinders. In elke verbrandingsruimte bevinden zich twee kleppen die met 2 aangegeven zijn. Ook hier zal weer begrepen worden dat het aantal kleppen afhankelijk van de behoefte kan variëren.

In fig. 2a is een detail van een klepzitting getoond. De klepzitting, een ringvormige boring die na het gieten enigszins bewerkt is, is met 3 aangegeven. Volgens de onderis havige uitvinding wordt daarop eerst een tussenlaag 4 bijvoorbeeld een nikkellaag door lasercladden aangebracht. Vervolgens wordt een eerste Vanadislaag 5 aangebracht gevolgd door een tweede Vanadislaag 6. Deze vanadislagen kunnen Vanadis 30 omvatten maar omvatten bij voorkeur Vanadis 23. Na het aanbrengen van deze lagen wordt de cilinderkop alsnog gevlakt en ontstaat de constructie zoals afgebeeld in fig. 2b waarin 20 duidelijkheidshalve eveneens een klep 2 getoond is. Daarbij is duidelijk dat de tussenlaag 4 na het bewerken niet langer bedekt wordt door de contactlaag en bij het naar het inwendige van de verbrandingsruimte gerichte einde vrij ligt.

De samenstelling van Vanadis materiaal is als volgt: 25

Materiaal Globale samenstelling (gew.%) ' Fe C TCÏ I Mo I Ni Tc^ Tw Tv Tsi I Mn I Cu Vanadis 23 Bal 1,28 ~4j 5^0 - I M 3J - - -

BrsjWjyjWfltfftPÉi 11¾¾¾^¾ fatoüaëfe* WMWÉ 2001869

Claims (17)

1. Cilinderkop (1) uit gietijzer omvattende daarin aangebrachte klepzittingen (3), 5 welke klepzittingen omvatten een in het gietijzermateriaal aangebrachte ringvor mige boring, een daarop aangebrachte tussenlaag (4) op nikkelbasis en een op die tussenlaag aangebrachte contactlaag (5, 6), welke contactlaag omvat een lucht-hardend gereedschapstaal, waarbij die lagen (4-6) zodanig aangebracht zijn, dat nabij het vrije oppervlak van die contactlaag een ringvormig werkende drukspan- 10 ning aanwezig is.

2. Cilinderkop volgens conclusie 1, waarbij die tussenlaag een dikte van ten minste 0,2 mm omvat.

3. Cilinderkop volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die contactlaag een dikte van ten minste 0,5 mm omvat en bij voorkeur tussen de 1- 2 mm.

4. Cilinderkop volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die contactlaag 20 twee op elkaar aangebrachte sublagen (5,6) omvat.

5. Cilinderkop volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die tussenlaag een nikkelhoudende laag met tenminste 40% nikkel a. bevat bij voorkeur Inconel. 25

6. Cilinderkop volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de contactlaag een luchthardend gereedschapsstaal omvat met minder dan 30 gew.% legeringselementen van Mn, Cr, Mo, W, V en Co en een hardheid van ten minste 650 HV. 30

7. Cilinderkop volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die laag een versmolten poedermateriaal omvat.

8. Cilinderkop volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij nabij de eindbe-grenzing van die klepzitting die tussenlaag (4) vrij ligt.

9. Cilinderkop volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij die contactlaag 5 een martensitische structuur omvat.

10. Cilinderkop volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij dat gietijzer vermiculair grafiet bevat.

11. Werkwijze voor het in een cilinderkop aanbrengen van een klepzitting, omvat tende het voorzien in een ringvormige boring, het in die boring aanbrengen van een tussenlaag op nikkelbasis door uitgaande van een poeder en/of draad dit met een lasboog neer te slaan, gevolgd door het aanbrengen van een contactlaag, omvattende het uitgaande van een poedervormig luchthardend gereedschapstaal 15 neerslaan daarvan met een lasboog op een tussenlaag.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, waarbij na het aanbrengen van die contactlaag uitsluitend verspanende bewerkingen aan die klepzitting uitgevoerd worden.

13. Werkwijze volgens een van de conclusies 11 of 12, waarbij die contactlaag Vanadis omvat.

14. Werkwijze volgens een van de conclusies 11-13, waarbij die contactlaag twee sublagen (5, 6) omvat, die achtereenvolgens met een lasboog neergeslagen wor- 25 den.

15. Werkwijze volgens een van de conclusies 10-13, waarbij dat neerslaan met een lasboog lasercladden omvat.

16. Werkwijze volgens een van de conclusies 11-15, waarbij dat neerslaan met een lasboog PTAW-cladden omvat.

17. Werkwijze volgens een van de conclusies 11-16, waarbij die contactlaag neergeslagen wordt uit een staal in poedervorm en/of draad met minder dan 30% legeringselementen van Mn, Cr, Mo, W, V en Co met een afkoelsnelheid van minder dan 500 seconden in het traject van 800o-500°C. 5