NO314170B1 - Fremgangsmåte for fremstilling av en dyse for en brennstoffventil, og dyser - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av en dyse for en brennstoffventil for en forbrenningsmotor, spesielt en stor totaktsmotor, hvor et hovedsakelig isotropt, finkornet pulver av en slik sammensetning at den ferdige dyse har varmekorrosjons-resistens, anordnes i en form og blir HIP-behandlet (Hot Isostatic Pressure) ved et trykk på minst 800 bar og ved en temperatur på minst 1000°C. Oppfinnelsen angår også dyser som angitt i innled-ningen av kravene 3, 4 og 8.

I hver motorsyklus blir dysen av en forbrenningsmotor utsatt for en plutselig trykkpåvirkning når den innvendige boring av dysen ved åpning av ventilen tilføres trykksatt brennstoff som sprøytes ut gjennom dysehullene. I området rundt dysehullene kan brennstoffet ha en ganske sterk eroderende innflytelse på dysen, noe som stiller store krav til styrken av dysematerialet, spesielt i store totaktsmotorer som dri-ves av tung brenselolje, hvor partikkelinnholdet har en sterkt eroderende effekt. Da dysen rager et stykke inni forbrenningskammeret, utsettes den også for temperatur-forandringene i kammeret. I store totaktsmotorer er dysespissen i realiteten uavkjølt. Spesielt det høye tempera-turnivå ved forbrenningen stiller store krav til dysematerialet, som må ha egnet styrke ved høye temperaturer og videre må være resistent mot varmekorrosjon. Tidligere kjente dyser består av et materiale som er resistent mot varmekorrosjon og eroderende innflytelse av brennstoffet. Dyser laget av støpt Stellite 6 er kjent. Disse dyser fremstilles ved pre-sis jonsstøping, såkalt "investment casting", hvor en sand-form dannes rundt en positiv form av dysen i voks, hvilken form bakes samtidig med at voksen smeltes ut, hvorpå dyseemnet støpes.

Av hensyn til den støpte dyses styrkeegenskaper, må støpe-stykket kjøles meget raskt for å oppnå tilstrekkelig fin kornstruktur i den ferdige dyse. Den raske avkjøling øker risikoen for porøsiteter og kaldflytning i støpestykket, dvs. en form for laminering av materialet uten fullstendig metallurgisk binding mellom de enkelte lag. Lamineringen reduserer dysens utmatningsstyrke. Derfor er det en grense for antall dysehull som kan maskineres i dysens materiale fordi hullene svekker materialet og gir opphav til spenningskonsentrasjoner. Da et for høyt spenningsnivå i kjente dyser kan føre til sprekkdannelse og påfølgende brudd i dysen, og i verste fall til innsprøytning av konsentrerte brennstoffstråler direkte mot stempeloverflaten, blir kjente dyser ikke fremstilt med tettsittende dysehull. Dette be-grenser mengden brennstoff som kan injiseres pr. brennstoff ventil pr. motorsyklus.

I kjente dyser av Stellite 6 med borede dysehull har det vist seg at ved åpningen i den sentrale langsgående boring i dysen har dysehullene et meget uregelmessig kantparti, dvs. at mange små biter er slått løs fra hullkanten. Den ujevne hullkant skaper skåreffekter som reduserer dysens utmatningsstyrke .

EP-A-0 569 655 beskriver en dyse som består av en mekanisk legert dispersjonsforsterket nikkelbasert superlegering, dvs. en såkalt ODS-legering (Oxide Dispersion Strengthened). Mekanisk legering skjer i høyenergimøller, såsom store kule-møller, hvor pulver og/eller flakaktig utgangsmateriale bestående av en dispersjonskomponent av yttriumoksid og en nikkelbasert legeringskomponent mekanisk knas til et materiale med homogen, meget fin mikrostruktur. I flere trinn kan materialet så bli kald- eller varmsmidd til ønsket form og deretter varmebehandlet for å bevirke utskillingsherding. Som konsekvens av dispersjonsstyrkingen med oksider, har denne kjente dyse en relativt høy styrke ved meget høye temperaturer. Fremstillingen av disse dyser er meget dyr, og utformningen av dysehullene er vanskelig fordi finfordelte, meget harde yttriumoksider i materialet gjør det vanskelig å maskinere.

Japansk patentsøknad publisert under nr.1-215942 beskriver en dyse fremstilt på den måte som er nevnt innledningsvis av et sintret materiale av en intermetallisk forbindelse av Ti-Al og NijAl, som er velkjent som en ekstremt hard partik-kelutskilt bestanddel i legeringer. Når dysen fremstilles av denne intermetalliske forbindelse, er det klart at dens motstand mot slitasje blir meget høy, men maskineringen av dyseemnet til den endelige form blir meget vanskelig og kost-bar. Videre kan HIP-behandlingen kun skje i en kort periode, f.eks. 30 min., fordi legeringen endrer karakter ved lengre holdeperioder. Derfor kan ikke HIP-behandlingen fullføres for å gi et kompakt dyseemne, men må følges av smiing av dyseemnet til forønsket form og maskinering av dette til en ferdig dyse. Høytemperatursmotstanden av legeringen Ni3Al og TiAl er utilstrekkelig for bruk i motorer som går på tung brenselolje.

Den ujevne overgang mellom kryssende boringer i kjente dyser gir også opphav til en ufordelaktig strømningsbane når brennstoffet strømmer gjennom dysehullene fordi brennstoffet fortsetter inn i forbrenningskammeret som en kombinert strå-le over en ganske lang distanse, noe som øker varmeinnfly-telsen på bestanddelene i lengre avstand fra dysen og mot-virker rask og fin fordeling av brennstoffet, og således på-virker motorens funksjon på en uheldig måte.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en enklere fremgangsmåte for fremstilling av en dyse i et materiale som, på den ene side, tillater enkel mekanisk maskinering til nøyaktig forønsket geometrisk form som gir forbedret innsprøytning av brennstoffet, og på den annen side, har relativt høy styrke ved høye temperaturer.

Med dette formål for øyet er førstnevnte fremgangsmåtekarakterisert vedat formen er av hovedsakelig den forønskede ytre dysefasong, at HIP-behandlingen varer i det minste én time ved nevnte trykk og temperatur, og at en strømningspas-sasje med en sentral, langsgående boring og et antall dysehull bores inn i det således HIP-behandlede dyseemne, hvorved hullkantene av dysehullene i overgangen til den sentrale

boring blir skarpe.

Som en konsekvens av den lille dimensjon av dyseemnet, er massen tett når materialet i formen er blitt bragt opp til de forønskede verdier av temperatur og trykk under en holdetid på i det minste én time. Med denne holdetid er de nød-vendige bindinger mellom pulverkornene blitt etablert ved diffusjon, slik at dyseemnet har en homogen struktur. Den finkornede, tette og homogene struktur gjør det mulig å bore dysehullene med skarpe hullkanter. Skarpe hullkanter i overgangen til den sentrale boring, dvs. ved innløpet av dysehullene, fremmer fordelingen av brennstoffstrålen som sprøy-tes ut fra de motsatte ender av dysehullene på dysens utsi-de .

Det finkornede pulver kombineres ved HIP-behandlingen av dysen til et sterkt, kohesjonsfast materiale uten at pulveret smelter. Resultatet av denne ikke-smelting er at materialet i dysen på i og for seg kjent måte beholder sin isotrope struktur som finkornet pulver med meget små krystallkorn. Den fine kornstørrelse gir materialet meget høy styrke uten at det samtidig gir materialet egenskaper som gjør det vanskelig å maskinere mekanisk.

Fremstillingen av dysen er fordelaktig enkel fordi HIP-behandlingen kan utføres i en enkel operasjon direkte ut fra finkornet pulver, og dysehullene kan bores i emnet uten noen komplikasjoner og uten noen me11omkommende møysom og verk-tøykrevende behandling. Ved HIP-behandlingen blir dysens materiale utsatt for hovedsakelig den samme behandling i al-le tverrsnitt, slik at lokale variasjoner i dyseemnets mate-rialegenskaper unngås. Da materialet i dysen ikke innehol-der interne svekkelser, oppnår dysen en høy utmatningsstyrke i forhold til styrken av et støpt dysemateriale med samme analyse.

Det er også en fordel at et relativt billig, gassatomisert pulvermateriale benyttes ved HIP-behandlingen, og at HIP- behandlingen kan utnytte den overveiende del av den atomiserte pulverladning.

Dersom trykk, temperatur og holdetid blir lavere eller kor-tere enn de angitte verdier, er det ikke sikkert at tilstrekkelig binding av det finkornede pulver oppnås. Den finkornede struktur av dyseemnet kan oppnås uavhengig av den reelle sammensetning av den benyttede legering.

HIP-behandlingen kan utføres med et utgangsmateriale som har en pulverkornstørrelse i intervallet fra 0 til 1000fim og et trykk i intervallet fra 900 til 1100 bar og en temperatur i intervallet fra 1100 til 1200°C. I de testede legeringer har disse intervallgrenser vist seg å gi HIP-behandlede dy-seemner med stort sett isotrope egenskaper, dvs. jevne egenskaper i alle retninger. Por de fleste legeringer vil trykk over 1100 bar og temperaturer over 1200°C gi risiko for øket kornvekst og begynnende smelting av materialet, noe som ville ødelegge den meget lille krystalIkornstørrelse i det pul-verformede utgangsmateriale. Den nedre grense på 900 bar og 1100"C og en holdetid på i det minste én time sikrer for de fleste legeringer at pulveret er bundet til et enhetlig le-geme. Ved å holde kornstørrelsen, dvs. den største ytre dimensjon av pulveret ved høyst 1000 pim, sikrer man at ut-gangsmaterialet har meget fine krystallkorn.

I en videreutvikling som er anvendbar for en nikkelbasert legering med et høyt innhold av krom, er fremgangsmåtenkarakterisert vedat dyseemnet omfatter en austenittisk nikkel fase, og at emnet etter mekanisk maskinering utsettes for varmebehandling ved en temperatur i intervallet 550-1100°C, fortrinnsvis 700-850°C, i en periode på i det minste 5 timer, hvorved en fast fasetransformasjon skjer hvor ferrittisk a-fase partikkelutskilles i en meget fin fordeling i den austenittiske nikkelfase. Den forønskede høye hardhet av legeringen og derav følgende lave maskinerbarhet dannes således først etter at den mekaniske maskinering av det HIP-behandlede emne er fullført.

Oppfinnelsen vedrører også en dyse for en brennstoffventil for en forbrenningsmotor, spesielt en stor totaktsmotor, med en sentral langsgående boring og et antall dysehull som er plassert i dysens sidevegg og sammen med den langsgående boring utgjør en strømningspassasje for trykksatt brennstoff, hvilken dyse er laget av et materiale som er motstandsdyktig mot varmekorrosjon og erosjon og kavitasjonsinnflytelse av brennstoffet. I en stor totaktsmotor kan det benyttede brennstoff være tung brenselolje, noe som utsetter dysen for betydelig erosjonsinnflytelse fra partikkelinnholdet etc. i brennstoffet, og dertil resulterer den ofte svovelinnholdige olje i et meget korrosivt miljø i forbrenningskammeret. I store totaktsmotorer har dysen stor lengde og er hovedsakelig uavkjølt ved sin nedre ende.

I en utførelse er dysen ifølge oppfinnelsenkarakterisertved at den er laget av en HIP-behandlet, koboltbasert legering omfattende krom og wolfram, såsom Stellite 6, hvor strømningspassasjen for brennstoffet bores etter HIP-behandlingen. Ved HIP-behandlingen av dysematerialet blir den høye motstandsdyktighet mot miljøet som foreligger i forbrenningskammeret, som den koboltbaserte legering er kjent for å ha, kombinert med en betydelig forbedret utmatningsstyrke og nye meget gode egenskaper når materialet maskineres mekanisk.

I en alternativ utførelse er dysen laget av en HIP-behandlet nikkelbasert legering, som, i vektprosent og bortsett fra generelt opptredende urenheter, omfatter fra 20 til 30% Cr, fra 0 til 8% W, fra 4 til 8% Al, fra 0,2 til 0,55% C, fra 0 til 2% Hf, fra 0 til 1,5% Nb, fra 0 til 8% Mo, fra 0 til 1% Si, fra 0 til 1,5% Y og fra 0 til 5% Fe.

Dette materiale har vist seg å ha overraskende gode mekaniske maskineringsegenskaper og høy utmatningsstyrke, samt motstand både mot varmekorrosjon og erosjonsinnflytelse fra brennstoffet. Ved boring av dysehullene ble det ikke observert noen oppflising ved endene av boringen. Likeledes har tester vist at de knivskarpe innløp til dysehullene består selv under meget lang funksjonstid.

Cr-innholdet av legeringen er viktig for dysens evne til å motstå varmekorrosjon, og dertil gir Cr-innholdet en oppløs-ningsstyrkende effekt, som i tillegg til den fine kornstruktur bidrar til å øke legeringens styrke. Om ønskelig, kan denne effekt forsterkes ved å tilsette Mo og/eller W til legeringen .

Sammen med Cr danner Al et kombinert overflatesjikt av Al203og Cr203som beskytter dysen mot korrosjon ved høye temperaturer. Al-innholdet gir videre en y'-fase bestående av intermetallet Ni3Al, som bevirker utskillingsherding av legeringen, men som er en relativt sprø fase. Al-innhold på mer enn 8% innebærer en risiko for at y'-fasen blir kohesiv istedenfor omsluttet av en duktil austenittisk fase som sikrer materialets høye utmatningsstyrke og gode maskinerbarhet. Legeringens Al-innhold kan hensiktsmessig være begrenset til maksimalt 6% da de fleste av aluminiumets positive egenskaper derved er blitt utnyttet uten noen risiko for tap av styrke på grunn av ufullstendig omslutning av y<*->fasen.

Ved Cr-innhold på mindre enn 20% kan dysen ikke motstå den korrosive innflytelse ved høye temperaturer. Det kan være mulig å tilsette mer enn 30% Cr til legeringen, men dette ville ikke resultere i noen merkbar forbedret motstand mot høytemperaturkorrosjon. Tvert imot vil høye Cr-innhold ska-de den mekaniske maskinerbarhet av dysen, og derfor innehol-der legeringen fortrinnsvis maksimalt 24% Cr.

Det mulige Fe-innhold i legeringen holdes på et maksimum av 5% for å forhindre svekkelse av dysens korrosjonsegenskaper.

Den finkornede struktur av pulveret som benyttes som utgangsmateriale ved HIP-behandlingen tilveiebringes ved tryk-katomisering av smeltet materiale inn i en relativt kald gass, hvor de atomiserte dråper utsettes for herding ved samtidig dannelse av ekstremt små krystallkorn i materialet. Herdingen resulterer også i en ekstremt liten avstand mellom de dendritiske grener av krystalIkornene. Si-innholdet av legeringen på opptil 1% gir ingen spesielle fordeler i den ferdige dyse, men har en deoksiderende effekt under pulver-produksjonen slik at forurensning av pulveret med uønskede oksider unngås. Alternativt kan andre deoksiderende bestanddeler benyttes i små mengder. C-innholdet av legeringen holdes på maksimalt 0,55% for å forhindre utskilling av nål- og plateformede karbider som kan senke duktiliteten av legeringen. Ved et C-innhold på mindre enn 0,2% får legeringen ikke den nødvendige hårdhet for å motstå den erosive innflytelse fra brennstoffet. Tilsetning av opptil 2% Hf kan modifisere uheldige karbidut-skillinger slik at de får mer avrundet form. Tilsetning av Nb i mengder opptil1,5% kan resultere i finere utskilling av metallkarbider, noe som antas å gi legeringen større duktilitet .

Dysens korrosjonsmotstand ved høye temperaturer kan forbed-res ved tilsetning av Y i mengder opptil 1,5%. Videre tilsetning av Y resulterer ikke i videre forbedring.

Når dysen er tenkt anvendt hvor erosjonsinnflytelsen er stor, er C-innholdet i det minste 0,35% av hensyn til legeringens hardhet.

I en ytterligere utførelse er dysen laget av en HIP-behandlet nikkelbasert legering, som i vektprosent og bortsett fra generelt foreliggende urenheter, omfatter fra 40 til 50% Cr, fra 0 til 0,55% C, mindre enn 1,0% Si, fra 0 til 5,0% Mn, mindre enn 1,0% Mo, fra 0 til mindre enn 0,5% B, fra 0 til 8,0% Al, fra 0 til 1,5% Ti, fra 0 til 0,2% Zr, fra 0 til 3,0% Nb, maksimalt 0,01% 0, maksimalt 0,03% N, maksimalt 2% Hf, maksimalt 1,5% Y, et kombinert innhold av Co og Fe på maksimalt 5,0% og resten Ni.

Dette materiale har høy utmatningsstyrke og ekstremt høy motstand både mot varmekorrosjon og den erosive innflytelse fra brennstoffet.

Cr-innholdet av legeringen er viktig for dysens evne til å motstå varmekorrosjon, og Cr-innholdet har videre en oppløs-ningsstyrkende effekt, som i tillegg til den fine kornstruktur bidrar til å øke legeringens styrke. Om ønskelig kan denne effekt forsterkes ved tilsetning av Mo og/eller W til legeringen.

Sammen med Cr danner Al et kombinert overflatesjikt av Al203og Cr203som beskytter dysen mot korrosjon ved høye temperaturer. Al-innholdet danner videre en y'-fase som består av intermetallet Ni3Al, som bevirker utskillingsherding av legeringen, men som er en relativt sprø fase. Fortrinnsvis er Al-innholdet høyere enn 2,5% for å oppnå egnede mengder av det forønskede overflatesjikt. Al-innhold på mer enn 8% med-fører risiko for dannelse av en p-fase som reduserer duktiliteten av legeringen ved romtemperatur og reduserer legeringens styrke ved høye temperaturer. Al-innholdet av legeringen kan med fordel begrenses til maksimalt 6% fordi de fleste av de positive egenskaper ved Al er derved utnyttet uten noen risiko for tap av styrke på grunn av uegnede strukturelle bestanddeler.

Det eventuelle Fe-innhold av legeringen holdes på et maksimum av 5% for å forhindre reduksjon av dysens korrosjonsegenskaper. Fe og Co er begge urenheter i legeringen, og det er ønskelig å begrense deres kombinerte innhold til maksimalt 5,0%.

Den finkornede struktur av pulveret som benyttes som utgangsmateriale ved HIP-behandlingen tilveiebringes ved tryk-katomisering av smeltet materiale inn i en relativt kald gass, hvor de atomiserte dråper utsettes for herding ved samtidig dannelse av ekstremt små krystallkorn i materialet. Herdingen resulterer også i en ekstremt liten avstand mellom de dendritiske grener av krystallkornene. Si-innholdet av legeringen på opptil 1% gir ingen spesielle fordeler i den ferdige dyse, men har en deoksiderende effekt under pulver-produksjonen slik at forurensning av pulveret med uønskede oksider unngås. Alternativt kan andre deoksiderende bestanddeler benyttes i små mengder, såsom Ti eller Mn. Mn er ikke et like effektivt deoksiderende middel, og det er ønskelig å begrense mengden av dette til maksimalt 5% for ikke å fortynne de effektive bestanddeler i den ferdige legering. Ved tilsetning av Ti, f.eks. i mengder på i det minste 0,5%, kan risikoen for dannelse av såkalte tidligere partikkel-grenser (PPB) øke, spesielt dersom legeringen omfatter C og urenheter av O og N, hvorfor det sammen med Ti fortrinnsvis foretas en tilsetning av Hf på omtrent 0,5% til legeringen for å motvirke denne tendens.

B-innholdet har overraskende vist seg å være viktig, i forbindelse med en nikkellegering med høyt Cr-innhold, for å oppnå høy duktilitet til fordel for utmatningsstyrken. Alle-rede ved så små mengder som 0,05% bevirker B størkning av det smeltede materiale endring fra cellulær størkning til dendritisk størkning hvor de dendritiske grener sammenlåses og gir en geometrisk låsning av de strukturelle bestanddeler. B er stort sett uløselig i y- og a-fasene, og det antas at størkningen involverer et eutektikum med et antall borider. Større innhold av B kan skape utfelling av de velkjen-te og uønskede lavtsmeltende eutektika uten særlig styrke.

Ved varmebehandling med holdeperioder på mer enn 1 time, fortrinnsvis mer enn 5 timer, utsettes legeringen for en fastfase-transformasjon, hvor kromomfattende ferrittisk a-fase utfelles i den austenittiske nikkelfase som meget finfordelt utfelte partikler. Nb influerer på den faste fase-transf ormasjon for å gi globulær utfelling istedenfor lamel-lær utfelling, noe som øker legeringens duktilitet.

Legeringens C-innhold holdes på et maksimum av 0,55% for å motvirke utskillingen av nål- og plateformede karbider som kan redusere legeringens duktilitet. Tilsetning av opptil 2% Hf kan modifisere uheldige karbidutskillelser slik at de får mer avrundet form og kan samtidig forhindre et mulig Nb-innhold fra å bli innlemmet i karbiddannelsen. Tilsetningen av Nb i mengder på opptil 3,0% kan resultere i finere utskilling av metallkarbider, noe som presumptivt gir legeringen større duktilitet, og samtidig vil en restmengde fritt Nb være tilstede for å influere på fastfasetransformasjonen.

I en utførelse hvor legeringens hardhet primært er blitt oppnådd ved hjelp av fastfasetransformasjonen, er C-innholdet maksimalt 0,1%, og Hf-innholdet er mindre enn 0,5%, fordi det ikke er nødvendig å ha et stort overskudd av karbidmodifikatorer. Holdetidene ved HIP-behandlingen eller ved en påfølgende varmebehandling ved en temperatur på over 550°C, fortrinnsvis i intervallet 700-850°C, kan i dette tilfelle være lengre enn 5 timer, slik at det er tid til at diffusjonen ved transformasjonen kan skje.

Dysens korrosjonsmotstand ved høye temperaturer kan forbed-res ved tilsetning av Y i mengder på opptil 1,5%. Tilsetning av mer Y resulterer ikke i videre forbedring.

I en foretrukket utførelse omfatter legeringen maksimalt 0,45% Al, maksimalt 0,1% C og maksimalt 0,1% Ti. Ved denne sammensetning blir utskillelsen av karbidnettverk, borider og/eller intermetaller, så som Ni3Al (y')( i legeringens ba-sismatrise hovedsakelig undertrykket, og etter HIP-behandlingen vil derfor legeringen ha en høy duktilitet og lav hardhet slik at det HIP-behandlede emne kan maskineres til den forønskede geometri uten problemer. Det ferdige emne blir så utsatt for en varmebehandling ved en temperatur i intervallet 550-1100»C, fortrinnsvis 700-850°C, i en periode på minst 5 timer. Under varmebehandlingen skjer det en fastfasetransformasjon hvor ferrittisk a-fase partikkelutskilles i meget fin fordeling i den austenittiske nikkelfase y, hvorved legeringen herder og får den forønskede høye hardhet som gir dysen god slitasjemotstand. Faseutskillelse- ne er så finfordelt at matrisens mikrohardhet stort sett økes jevnt, noe som forbedrer både slitasjemotstand og varmekorrosjonsresistens.Varmebehandlingens holdetid kan også være lengre, såsom i det minste 20 eller i det minste 40-50 timer.

I en ytterligere utførelse omfatter legeringen i det minste 45% Cr og fra 0,15 til 0,40% B, fortrinnsvis maksimalt 0,25% B. Den øvre grense på 0,4% B sikrer at ved legeringens størkning vil mengden av hardhetøkende borider ikke over-skride et nivå hvor legeringen blir sprø, og den nedre grense på 0,15% er egnet for et Cr-innhold på 45%.

I en ytterligere utførelse omfatter legeringen fra 1,0 til 2,0% fritt Nb. Den fordelaktige endring av herdemekanismen til globulær utskilling styrkes dersom det frie Nb-innhold er mindre enn 1,0%, og av finansielle grunner kan innholdet av det relativt dyre Nb med fordel begrenses til 2,0% da et høyere innhold av Nb vanligvis ikke bidrar vesentlig til å forbedre legeringens egenskaper.

Som en konsekvens av den høye utmatningsstyrke av HIP-behandlede dyser ifølge oppfinnelsen, kan flere dysehull anordnes nærmere hverandre enn det som tidligere har vært mulig. Trykket av brennstoffet virker i den sentrale boring av dysen med et overtrykk som gir strekkspenninger i dysematerialet. Dysens høyere utmatningsstyrke tillater en økning i strekkspenningsnivået og således et fordelaktig høyere in-jeksjonstrykk, som kan benyttes for innsprøytning av en større mengde brennstoff i løpet av en motorsyklus. Fremgangsmåten og dysen ifølge oppfinnelsen gjør det således mulig å fremstille motorer med høyere sylinderytelse.

Oppfinnelsen skal nå forklares i ytterligere detalj nedenfor under henvisning til tegningene, hvor

fig. 1 er et lengdesnitt gjennom en dyse montert i en brennstoffventil,

fig. 2 og 3 er fotografier av dysehull i to forskjellige tidligere kjente dyser, og

fig. 4 - 6 er tilsvarende fotografier av dysehull i en dyse ifølge oppfinnelsen.

Fig. 1 viser den nedre ende av en brennstoffventil 1, som har et hus 2 for montering i et sylinderlokk, ikke vist, på en slik måte at en ringformet, skrå flate 3 ved den nedre ende av huset presses til anlegg mot en tilsvarende overfla-te i lokket. En dyse 4 forløper gjennom et sentralt hull i huset 2 og rager ned inn i forbrenningskammeret slik at dysehullene 5 i dysens sidevegg er anbragt en egnet distanse ned i forbrenningskammeret. På nivåer under de skrå flater 3 er dysen hovedsakelig ukjølt, og derfor blir dysespissen med hullene 5 oppvarmet til en høy temperatur av de varme gasser i forbrenningskammeret.

Dysen har en sentral boring 6, som strekker seg fra en

strømningspassasje 7 i brennstoffventilen til dysespissen på et lavere nivå enn dysehullene 5. I dysen danner boringen 6 og hullene 5 en strømningspassasje for brennstoffet, som kan være olje eller gass.

Når dysen er beregnet for en totaktsmotor med flere ventiler pr. sylinder, er hver brennstoffventil 1 vanligvis plassert nær den vertikale sidevegg av forbrenningskammeret. I dette tilfelle må brennstoffet innsprøytes i en vifteformet sky rettet mot midten av forbrenningskammeret, noe som betyr at hullene 5 alle er dannet i én side av dysen og at dysehullenes lengdeakser danner en vinkel på maksimalt 100° med hverandre. Når det benyttes to eller tre brennstoffventiler pr. sylinder, er den sfæriske vinkel ofte begrenset til mindre enn 80". Dysehullene 5 er boret gjennom dysens sidevegg til den sentrale boring 6. Hullene kan også være fremstilt på en annen måte, f.eks. ved gnistmaskinering, men boring fore-trekkes fordi den er en rask og enkel mekanisk maskinering. To forskjellige tidligere kjente dyser av støpt Stellite 6 har vært undersøkt ved hjelp av et endoskop kjent f.eks. fra gastroskopiske undersøkelser av mennesker. Ved hjelp av endoskopet er fotografier blitt tatt av dysehullenes åpninger inn i den sentrale boring. Et foto av den sentrale boring av hver dyse er vist på fig. 2, hhv. 3. Hele veien rundt kanten av dysehullene 5 er flak blitt slått løs fra sideveggen av den sentrale boring 6, slik at overgangen mellom de to kryssende boringer er ujevn og ru.

En dyse ifølge oppfinnelsen er blitt fremstilt ved HIP-behandling av et isotropt, finkornet pulver av Stellite 6, hvor pulverkornene er mindre enn 300jjm. Stellite 6 har en tilnærmet analyse på 1,14% C, 1,06% Si, 28,5% Cr, 0,43% Fe, 4,65% W og resten Co. HIP-behandlingen ble utført ved en temperatur mellom 1100 og 1200°C og et trykk mellom 900 og 1100 bar, og en holdetid på 2 timer. Den sentrale boring 6 ble boret inn i det HIP-behandlede emne, hvorpå dysehullene 5 ble boret fra utsiden inn til den sentrale boring. Dysen ble undersøkt ved hjelp av endoskopet, hvilket viste jevne hullkanter ved dysehullenes åpninger i den sentrale boring. Den HIP-behandlede Stellite 6 har således betydelig bedre maskineringsegenskaper enn støpt Stellite 6. De jevnere hullkanter bevirker mindre spenningskonsentrasjoner i dysen.

Ut fra en nikkelbasert legering med en tilnærmet analyse på 23% Cr, 7% W, 5,6% Al, 1% Si, 0,5% C og 0,4% Y, alle vektprosent, ble en HIP-behandlet dyse fremstilt på samme måte som angitt ovenfor. Endoskopundersøkelsen av dysen er vist på fig. 4-6, hvor det kan ses at kantene av dysehullene ved åpningene inn i den sentrale boring 6 er skarpe og uten avskalling.

HIP-behandlede dyser er blitt testet ved funksjonstester i en prøvemotor, noe som viste at begge typer av HIP-behandlede dyser hadde større motstand mot varmekorrosjon og dannelse av mikrosprekker enn kjente støpte dyser av Stellite 6. I området mellom de to innbyrdes nærmeste dysehull ble det observert noen få meget små sprekker i materialet i den HIP-behandlede dyse av Stellite 6, mens den HIP-behandlede nikkelbaserte dyse var fullstendig sprekkfri.

Funksjonstester med en dyse av støpt Stellite 6 og med tilsvarende nært plasserte dysehull som i den HIP-behandlede dyse viste store gjennomgående sprekker og flere små sprekker i materialet. Sammenlignende tester viste således at dysen av HIP-behandlet Stellite 6 har betydelig forbedret utmatningsstyrke.

HIP-behandlede dyser er også blitt fremstilt i den koboltbaserte legering Celsit 50-P, med en tilnærmet analyse som viser 2% C, 28% Cr, 6,5% Ni, 10% W, 3,7% Mo, 1,6% Cu og resten Co. Funksjonstester med disse dyser viste at utmatningsstyrken og resistensen mot varmekorrosjon var på linje med dyser av HIP-behandlet Stellite 6.

Sammenlignende maskineringstester har vært utført for HIP-behandlede legeringer av Stellite 6 og av det ovennevnte nikkelbaserte materiale. Hull ble boret i plateformede emner, og beskaffenheten av hullkanten på baksiden av platen ble undersøkt, noe som ga de samme resultater som i de ovennevnte dyser, dvs. at hullkanten i de HIP-behandlede plater var ubrutt i platene av stellite 6 og skarpkantet i platene av nikkelbasert materiale.

De mekaniske egenskaper av dysematerialene har vært under-søkt ved hjelp av de ovennevnte plater og ved hjelp av runde stavformede emner av støpt Stellite 6 og den HIP-behandlede nikkelbaserte legering. Resultatet av dette er vist i ned-enstående Tabell 1. Målinger av hardhet og strekkprøver er blitt utført på fullstendig konvensjonell måte. Dertil ble de stavformede emner utsatt for utmatningsprøver, hvor hvert emne ble fastspent ved begge ender og utsatt for pulserende langsgående strekkbelastninger av en størrelse på P ± P, dvs. en strekkraft som varierte mellom 0 og 2P. Emnene ble utsatt for 10 millioner sykler. Dersom emnet ikke oppviste brudd, ble belastningen P øket med 10% og de 10 millioner sykler gjentatt. Dersom et brudd oppstod, ble et nytt emne innsatt og belastningen P ble redusert med 10%, hvorpå pro-sessen fortsatte som beskrevet ovenfor. Etter testing av flere emner av hver materialsammensetning, ble utmatningsstyrken oA bestemt som den nedre spenningsbelastning som ak-kurat ikke bevirket et brudd etter10<7>sykler. Tabell 1 viser at støpt Stellite 6 hadde en utmatningsstyrke på aA =

± 150 N/mm<a>, mens den HIP-behandlede nikkelbaserte legering hadde en utmatningsstyrke på o, = ± 275 N/mm<2>.

Som det vil ses, er det HIP-behandlede dysemateriale både betydelig sterkere og betydelig mer duktilt enn det støpte dysemateriale, og det HIP-behandlede materiale har videre en betydelig forbedret utmatningsstyrke.

Claims (16)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en dyse (4) for en brennstoffventil (1) for en forbrenningsmotor, spesielt en stor totaktsmotor, hvor et hovedsakelig isotropt, finkornet pulver av en slik sammensetning at den ferdige dyse besitter varmekorrosjonsresistens, anordnes i en form og HIP-behandles ved et trykk på minst 800 bar og ved en temperatur på minst 1000"C, karakterisert vedat formen er hovedsakelig den forønskede ytre dysefasong, at HIP-behandlingen varer i det minste én time ved nevnte trykk og temperatur, og at en strømningspassasje med en sentral langsgående boring (6) og et antall dysehull (5) bores inn i det således HIP-behandlede emne, hvorved hullkantene av dysehullene i overgangen til den sentrale boring blir skarpe.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat dyseemnet omfatter en austenittisk nikkelfase, og at etter den mekaniske maskinering utsettes emnet for varmebehandling ved en temperatur i intervallet 550-1100°C, fortrinnsvis 700-850°C, i en periode på minst 5 timer, hvorved en fastfasetransformasjon skjer i hvilken ferrittisk a-fase partikkelutskilies i en meget fin fordeling i den austenittiske nikkelfase.

3. Dyse (4) for en brennstoffventil (1) for en forbrenningsmotor, spesielt en stor totaktsmotor, med en sentral langsgående boring (6) og et antall dysehull (5) som er plassert i dysens sidevegg og sammen med den langsgående boring utgjør en strømningspassasje for trykksatt brennstoff, hvilken dyse (4) er laget av et materiale som er resistent mot varmekorrosjon og erosjonsinnflytelse fra brennstoffet,karakterisert vedat dysen (4) er laget av en HIP-behandlet, koboltbasert legering omfattende krom og wolfram, såsom Stellite 6, idet strømningspassasjen for brennstoffet er boret etter HIP-behandlingen, hvorved hullkantene av dysehullene ved overgangen til den sentrale bo ring blir skarpe.

4. Dyse (4) for en brennstoffventil (1) for en forbrenningsmotor, spesielt en stor totaktsmotor, med en sentral langsgående boring (6) og et antall dysehuli (5) som er anbragt i sideveggen av dysen og sammen med den langs-gående boring utgjør en strømningspassasje for trykksatt brennstoff, hvilken dyse (4) er laget av et materiale som er resistent mot varmekorrosjon og erosjonsinnflytelse fra brennstoffet, karakterisert vedat dysen (4) er laget av en HIP-behandlet, nikkelbasert legering, som i vektprosent og bortsett fra generelt opptredende urenheter, omfatter fra 20 til 30% Cr, fra 0 til 8% W, fra 4 til 8% Al, fra 0,2 til 0,55% C, fra 0 til 2% Hf, fra 0 til 1,5% Nb, fra 0 til 8% Mo, fra 0 til 1% Si, fra 0 til 1,5% Y og fra 0 til 5% Fe, idet strømningspassasjen for brennstoffet er boret etter HIP-behandlingen, hvorved hullkantene av dysehullene ved overgangen til den sentrale boring blir skarpe.

5. Dyse ifølge krav 4, karakterisert vedat legeringen omfatter maksimalt 6% Al.

6. Dyse ifølge krav 4, karakterisert vedat legeringen omfatter fra 0,35 til 0,55% C.

7. Dyse ifølge krav 4, karakterisert vedat legeringen omfatter maksimalt 24% Cr.

8. Dyse (4) for en brennstoffventil (1) for en forbrenningsmotor, spesielt en stor totaktsmotor, med en sentral langsgående boring (6) og et antall dysehull (5) som er anbragt i sideveggen av dysen og sammen med den langsgående boring utgjør en strømningspassasje for trykksatt brennstoff, hvilken dyse (4) er laget av et materiale som er re sistent mot varmekorrosjon og erosjonsinnflytelse fra brennstoffet, karakterisert vedat dysen (4) er laget av en HIP-behandlet, nikkelbasert legering, som i vektprosent og bortsett fra generelt opptredende urenheter, omfatter fra 40 til 50% Cr, fra 0 til 0,55% C, mindre enn 1,0% Si, fra 0 til 5,0% Mn, mindre enn 1,0% Mo, fra 0 til mindre enn 0,5% B, fra 0 til 8,0% Al, fra 0 til 1,5% Ti, fra 0 til 0,2% Zr, fra 0 til 3,0% Nb, maksimalt 0,01% O, maksimalt 0,03% N, maksimalt 2% Hf, maksimalt 1,5% Y, et kombinert innhold av Co og Fe på maksimalt 5,0% og resten Ni, idet strømningspas-sasjen for brennstoffet er boret etter HIP-behandlingen, hvorved hullkantene av dysehullene ved overgangen til den sentrale boring blir skarpe.

9. Dyse ifølge krav 8, karakterisert vedat legeringen omfatter maksimalt 6% Al.

10. Dyse ifølge krav 8 eller 9,karakterisert vedat legeringen omfatter i det minste 2,5% Al.

11. Dyse ifølge et av kravene 8-10,karakterisert vedat legeringen omfatter maksimalt 0,1% C og maksimalt 0,5% Hf.

12. Dyse ifølge krav 8, karakterisert vedat legeringen omfatter maksimalt 0,45% Al, maksimalt 0,1% C og maksimalt 0,1% Ti.

13. Dyse ifølge krav 8, karakterisert vedat legeringen omfatter minst 0,5% Ti og fortrinnsvis minst 0,5% Hf.

14. Dyse ifølge et av kravene 8-13,karakterisert vedat legeringen omfatter minst 45% Cr og fra 0,15 til 0,40% B, fortrinnsvis maksimalt 0,25% B.

15. Dyse ifølge et av kravene 8-14,karakterisert vedat legeringen omfatter fra 1,0 til 2,0% fritt Nb.

16. Dyse ifølge et av kravene 3-15,karakterisert vedat dysen har seks, syv eller flere dysehull (5), som alle har sin lengdeakse plassert innenfor en romvinkel på maksimalt 100", og fortrinnsvis maksimalt 80°.