NO320598B1 - Eksosventil for en forbrenningsmotor - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en eksosventil for en forbrenningsmotor, spesielt en totakts krysshodemotor, omfattende en bevegelig spindel med et ventilhode som på sin øvre flate har et ringformet seteområde som er av en legering som er forskjellig fra ventilhodets basislegering, hvilket seteområde hviler mot et tilsvarende seteområde på et stasjonært ventilorgan i ventilens lukkede stilling.

Utviklingen av eksosventiler for forbrenningsmotorer har i mange år vært rettet mot å forlenge levetiden og pålitelig-heten av ventilene. Dette har hittil vært gjort ved å fremstille ventilspindlene med et varmkorrosjonsresistent materiale på den nedre hodeflate og et hardt materiale i seteområdet.

Seteområdet er spesielt viktig for eksosventilens pålite-lighet fordi ventilen må kunne lukke tett for å fungere riktig. Det er velkjent at seteområdets evne til å lukke tett kan bli redusert av korrosjon i et lokalt område ved såkalt gjennombrenning, hvor det tvers over den ringformede tetningsflate dannes en kanalformet renne gjennom hvilken varm gass strømmer når ventilen er lukket. Under uheldige omstendigheter kan denne feiltilstand oppstå og utvikle seg til en kasserbar ventil på mindre enn 80 timers drift, noe som betyr at det ofte ikke er mulig å oppdage den begynnen-de svikt ved den vanlige overhaling. Derfor kan en gjennombrenning i ventilsetet forårsake uforutsette avbrudd. Dersom motoren er en fremdriftsmotor i et skip, kan til-standen oppstå og utvikle seg til en sviktende ventil under en enkelt reise mellom to havner, noe som kan bevirke prob-lemer under reisen og utilsiktet ventetid i havn.

Med det formål å forhindre gjennombrenninger i ventilsetet er det i årenes løp utviklet mange forskjellige ventilsete-materialer med stadig økende hardhet for å gjøre setet mot-standsdyktig mot slitasje ved hjelp av hardheten for å redusere dannelsen av innhakk. Innhakkene er en tilstand for utvikling av gjennombrenning fordi innhakkene skaper en liten lekkasje som varm gass strømmer gjennom. Den varme gass kan oppvarme materialet rundt lekkasjen til et tempe-raturnivå hvor gassen med aggressive komponenter har en korroderende effekt på setematerialet, slik at lekkasjen raskt vokser seg større og lekkasjestrømmen av varm gass øker, noe som eskalerer erosjonen. I tillegg til hardheten har setematerialer også utviklet seg mot en høyere varmkor-rosjonsmotstand for å forsinke erosjonen etter at det er oppstått en liten lekkasje. De spesielle krav til setematerialer og avvikende spesielle krav til materialegenskaper i andre områder av det bevegelige ventilorgan nødvendiggjør et seteområde av et materiale som er forskjellig fra ventilhodets basismateriale, som også gir fremstillingsforde-ler. Et antall eksempler på kjente setematerialer vil bli gitt nedenfor.

W092/13179 beskriver f.eks. bruk av den nikkelbaserte legering Alloy 50, den koboltbaserte legering Stellite 6 og en nikkelbasert legering hvor de viktigste legeringsbestandde-ler er 20-24% Cr, 0,2-0,55% C og 4-7% Al. Et formål som er nevnt er at setematerialene bør være harde for å redusere dannelsen av innhakk.

SE-B-422 388 beskriver en ventil for en forbrenningsmotor som har et hovedlegeme laget av en krominneholdende nikkellegering på hvilken en krominneholdende koboltlegering av-settes ved en temperatur som overskrider 3000°C, hvorpå legemet utsettes for mekanisk behandling og aldring ved en temperatur som er høyere enn brukstemperaturen. Et formål med dette er å forbedre korrosjonsmotstanden av setematerialet og gi det en høy hardhet.

DK-B-165125 omhandler en eksosventil for en forbrenningsmotor med et seteområde av en korrosjonsmotstandsdyktig over-flatelegering omfattende 13-17% Cr, 2-6% Al, 0,1-8% Mo, 1,5-3,5% B, 0,5-3% Ti, 4-7% Co og resten Ni. Høy hardhet i setematerialet er ønsket.

US-A-4 425 300 omhandler en påsveiset hardsveislegering omfattende 10-25% Cr, 3-15% Mo, 3-7% Si, 1-1,2% C, 1-30% Fe og resten Ni. Legeringen er uten porøsitet og har en hardhet tilsvarende koboltbaserte legeringer.

EP-A-0529208 omhandler en nikkel- og krominneholdende hardsveislegering for påsveising i ventilseteområdet av en bil-motor. Legeringen inneholder 30-48% Ni, 1,5-15% W og/eller 1,0-6,5% Mo og hvor resten består av i det minste 40% Cr.

W og Mo har en løsningsstyrkende effekt på legeringen. C kan tilsettes i mengder fra 0,3 til 2,0% for å øke hardheten ved karbiddannelse, og B kan tilsettes i mengder fra 0,1 til 1,5% for å øke hardheten ved kromboriddannelse. Nb kan tilføres i mengder fra 1,0 til 4,0% for dannelse av hardhetsøkende intermetalliske forbindelser så vel som kar-bider og borider.

EP-A-0 521 821 omhandler en ventil laget av NIMONIC 80A eller NIMONIC 81, som er forsynt med et lag INCONEL 625 eller INCONEL 671 i seteområdet for å gi setet en høyere korro-sjonsmotstand enn det NIMONIC-baserte hovedlegeme. Publi-kasjonen nevner i forbindelse med legeringen INCONEL 671 at den kun behøver å sveises på, mens for legeringen INCONEL 625 nevner den at etter sveisingen inneholder den en dendrittisk karbidstruktur og at seteområdet derfor må varmbe-handles for å homogenisere karbidfordelingen i strukturen for å forbedre korrosjonsmotstanden.

Fra EP 602 904 Al er det kjent en jernbasert innsugnings-ventil, hvor materialets flytespenning anvendes til å mot-virke nedtrykning av den ytre ventilkant, slik at ventilen ikke får en skålformet underside.

EP 0384013 Al angår en metode for å forøke den mekaniske styrke av rør til bruk i olje- eller gassindustrien, hvor en nikkelbasert legering med et betydelig Fe-innhold kald-bearbeides og varmebehandles.

Boken "Diesel engine combustion chamber materials for heavy fuel operation" publisert i 1990 av The Institute of Marine Engineers, London, samler erfaringen med eksosventilmateri-aler i et antall artikler og gir anbefalinger om hvorledes ventiler skal konstrueres for å gi lang levetid. Når det gjelder ventilseter, antyder alle artiklene at setematerialet må ha høy hardhet og være av et materiale som har høy motstand mot varmkorrosjon. Flere forskjellige foretrukne materialer for eksosventiler er beskrevet i Artikkel 7 i boken "The physical and mechanical properties of valve alloys and their use in component evaluation analyses", og inkluderer i sin analyse av materialenes mekaniske egenskaper en sammenligningstabell over materialenes flytegrense, som viser seg å være under omtrent 820 MPa.

Det er ønskelig å forlenge levetiden av eksosventilen og spesielt å redusere eller unngå uforutsigbar og rask utvikling av gjennombrenninger i ventilens seteområde. Søkeren har utført tester med innhakkdannelse i setematerialer, og har i motsetning til den etablerte lære påvist ganske over-raskende at setematerialets hardhet ikke har noen stor innflytelse på om innhakkene oppstår. Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe setematerialer som an-tisiperer mekanismen som fører til dannelse av innhakk, hvorved hovedbetingelsen for at gjennombrenninger skal skje blir svekket eller eliminert.

Med dette for øyet er eksosventilen ifølge oppfinnelsen karakterisert ved at seteområdet på den øvre flate av ventilhodet er laget av en legering som har en flytegrense på i det minste 1000 MPa ved en temperatur på omtrent 20°C.

Innhakk lages av partikulære forbrenningsrester, så som kokspartikler, som strømmer fra forbrenningskammeret opp gjennom ventilen og inn i eksossystemet mens eksosventilen er åpen. Når ventilen lukker, kan partiklene bli fanget mellom de lukkende tetningsflater på ventilsetene.

Fra studier av mange innhakk på ventilspindler i drift er det blitt observert at nye innhakk meget sjelden når den øvre lukkende kant, dvs. den rundtgående linje hvor den øvre ende av det stasjonære ventilsete bringes i kontakt med det bevegelige koniske ventilsete. I praksis ender innhakkene omtrent 0,5 mm fra lukkekanten, noe som ikke har en umiddelbar forklaring da en partikkel også kan forventes å bli fanget i dette område.

Det er nå blitt innsett at fraværet av innhakk umiddelbart inntil lukkekanten skyldes det faktum at kokspartikler og andre meget harde partikler knuses til pulver før ventilen er fullstendig lukket. Deler av pulveret blåses bort samtidig med knusningen av partiklene fordi gassen fra forbrenningskammeret strømmer ut gjennom åpningen mellom de lukkende tetningsflater med omtrent lydhastighet. Den høye gasshastighet blåser bort pulveret nær lukkekanten, og fraværet av innhakk ut mot kanten viser at omtrent alle partiklene som fanges mellom tetningsflåtene, blir pulveri-sert. Selv meget tykke partikler reduseres i tykkelse av knusningen og pulverbortblåsningen, og i praksis har de sammensunkne hauger av pulver som er i stand til å danne innhakkene derfor en høyeste tykkelse på 0,5 mm og en normal maksimal tykkelse på 0,3-0,4 mm.

Spesielt innenfor den aller seneste motorutvikling hvor maksimaltrykket kan være 195 bar, kan belastningen på den nedre flate av hodet tilsvare opp til 400 tonn. Når eksosventilen er lukket og trykket i forbrenningskammeret øker til det maksimale trykk, trykkes tetningsflåtene fullstendig sammen rundt en innesluttet pulverhaug. Dette kan ikke unngås, uansett hvor harde setene gjøres.

Når forbrenningen av brennstoff begynner og trykket i sy-linderen og derved belastningen på ventilhodet øker, begynner den innesluttede pulverhaug å vandre inn i de to tetningsflater, og samtidig blir setematerialene elastisk deformert. Under denne elastiske deformasjon øker overflate-trykket mellom pulverhaugen og tetningsflåtene, noe som vanligvis gjør at pulverhaugen deformeres til et større areal. Dersom pulverhaugen er tilstrekkelig tykk, fortset-ter den elastiske deformasjon inntil trykket i kontaktområdet av pulverhaugen når flytegrensen av det setemateriale som har lavest flytegrense, hvoretter dette setemateriale deformeres plastisk og dannelsen av innhakket begynner. Den plastiske deformasjon kan resultere i en økning i flytegrensen på grunn av deformasjonsherding. Dersom de to setelegeringer i det lokale område rundt pulverhaugen på denne måte oppnår lik flytegrense, vil pulverhaugen begynne å deformere plastisk også det andre setelegering.

Dersom dannelsen av innhakk skal motvirkes, kan som nevnt ovenfor dette ikke gjøres ved å gjøre setelegeringen har-dere. Istedenfor må det gjøres ettergivende, noe som oppnås ved å fremstille seteområdene med en høy flytegrense. Den høyere flytegrense gir en dobbel effekt. For det førs-te kan setematerialet av legeringen med høyere flytegrense utsettes for høyere elastisk deformasjon og således absorbere en tykkere pulverhaug før plastisk deformasjon opp-trer. Den andre vesentlige effekt har sammenheng med tet-ningsf låtenes overflatenatur i de områder som vender mot pulverhaugen. Innhakksprofilen som dannes ved den elastiske deformasjon er jevn og glatt og bidrar til fordelingen av pulverhaugen til en større diameter, noe som dels reduserer tykkelsen av pulverhaugen, dels reduserer spenningene i kontaktområdet på grunn av det større kontaktområde. Ved overgangen fra elastisk deformasjon til plastisk deformasjon dannes det raskt en dypere og mer uregelmessig inn-hakksprof il, noe som uheldigvis forankrer pulverhaugen og således har en preventiv effekt på en ytterligere fordelaktig utvidelse av haugens diameter.

Prøver har vist at i en eksosventil kan en pulverhaug med

en tykkelse på omtrent 0,14 mm absorberes mellom to seteområder av legeringer med en nedre grense for flytegrensen på 1000 MPa uten noen plastisk deformasjon av tetningsflåtene.

En større andel partikler fanget mellom seteflatene vil bli knust til en tykkelse på omtrent 0,15 mm. Eksosventilen ifølge foreliggende oppfinnelse forhindrer en merkbar andel av partiklene fra å danne innhakk fordi seteflaten ganske enkelt springer tilbake til sin opprinnelige form når ventilen åpner, og samtidig blåses restene av de knuste partikler bort fra seteflatene.

Når det gjelder en økning av de elastiske egenskaper av seteområdet, er det foretrukket at seteområdets legering har en flytegrense på i det minste 1100 MPa, fortrinnsvis i det minste 1200 MPa. Youngs modul for den foreliggende setelegering blir hovedsakelig uendret ved økende flytegrense, noe som gir en tilnærmet lineær korrelasjon mellom flytegrense og den høyeste elastiske deformasjon. Det vil fremgå av de ovenstående kommentarer at en setelegering med en flytegrense på 2500 MPa eller mer ville være ideell fordi den ville kunne absorbere pulverhaugene med de aller van-ligst forekommende haugtykkelser ved ren elastisk deformasjon. Imidlertid er egnede legeringer med så høy flytegrense for tiden ikke tilgjengelig. Det vil fremgå av den nedenstående beskrivelse at noen av de setematerialer som er tilgjengelige i dag kan fremstilles på en måte som øker flytegrensen til i det minste 1100 MPa. Med alt annet uendret, vil denne økning i flytegrense på 10% resultere i minst en 10% reduksjon av dybden av eventuelle innhakk.

For de fleste typer partikler er en passende grense på 1200 MPa tilstrekkelig høy til å gi en merkbar reduksjon i haug-tykkelsen og kan således resultere i en reduksjon av inn-hakksdybdene på omtrent 30%, men samtidig er antallet mulige legeringer redusert. Dette gjelder også setelegeringer med en flytegrense på i det minste 1300 MPa.

I en spesielt foretrukket utførelse har seteområdets legering en flytegrense på i det minste 1400 MPa. Denne flytegrense er nesten det dobbelte av flytegrensen av setelege-ringene som for tiden brukes, og basert på den foreliggende forståelse for mekanismen for innhakksdannelse, antas det at legeringen med denne høye flytegrense vil i stor grad eliminere problemene med gjennombrenning av seteområder. Dybden av de få innhakk som kan dannes i denne setelegering vil være for liten til at lekkasjegass kan strømme gjennom innhakket i tilstrekkelig store kvanta til at setelegeringen varmes opp til en temperatur hvor varmkorrosjon blir ef-fektiv.

I en utførelse har seteområdene av det stasjonære organ og ventilhodet hovedsakelig samme flytegrense ved seteområdenes brukstemperatur. Den stort sett like flytegrense av de to setelegeringer resulterer i hovedsakelig samme deforma-sjonsmåte for begge tetningsflater når pulverhaugen presses inn i flatene, noe som resulterer den resulterende plastiske deformasjon i hver av flatene. Det stasjonære seteområde er kaldere enn spindelens seteområde, hvilket betyr at

spindelens setemateriale bør ha en høyere flytegrense ved

omtrent 20°C fordi flytegrensen for mange legeringer synker ved økende temperatur. Denne utførelse er spesielt fordelaktig dersom det stasjonære seteområde er laget av en varm-korros jonsresistent legering.

Dersom det stasjonære seteområde består av herdet stål eller støpejern, har seteområdet på det stasjonære organ fortrinnsvis en betydelig høyere flytegrense enn seteområdet på ventilhodet ved seteområdenes brukstemperatur. Med denne konstruksjon vil eventuelle innhakk dannes på ventilspindelen. Dette medfører to fordeler. For det første er seteområdet på spindelen vanligvis laget av en varmkorrosjonsresistent legering slik at eventuelle innhakk vil ha større vanskelighet med å utvikle seg til en gjennombrenning enn dersom innhakket befant seg på det stasjonære organ. For det andre roterer spindelen slik at ved hver ven-tillukning vil innhakket befinne seg i en ny stilling på den stasjonære tetningsflate, slik at varmepåvirkningen derved fordeles på det stasjonære seteområde.

I det følgende skal det beskrives forskjellige legeringer som er anvendbare ifølge oppfinnelsen som ventilsetemateri-aler. Det skal bemerkes at NIMONIC og INCONEL er varemer-ker som innehas av INCO Alloys, og at Udimet er et varemer-ke som innehas av Special Metals Inc.

Seteområdelegeringen kan være en nikkelbasert krominneholdende legering som i form av vekt% omfatter i det minste 10% av løsningsforsterkende bestanddeler, så som Mo, W, Co, Hf, Fe og/eller Cr, hvor legeringen er sveiset på ventilhodet og legeringens flytegrense deretter er blitt øket til en høyere verdi enn ovennevnte nedre grense ved kaldbearbeidning av materialet ved en temperatur som er lavere eller rundt legeringens rekrystallisasjonstemperatur. Føl-gende kan nevnes som eksempler på legeringer av denne type: IN 625 har en flytegrense etter sveising på omtrent 450 MPa, men etter i det minste 27% kaldbearbeidning er flytegrensen omtrent 1000 MPa, og etter 40% kaldbearbeidning omtrent 1100 MPa. IN 671 har en flytegrense på omtrent 490 MPa i sveiset tilstand, og kaldbearbeidning på mellom 30 og 40% kan bringe flytegrensen over 1000 MPa. Etter sveisingen har IN 690 en flytegrense på omtrent 500 MPa, og etter kaldbearbeidning på omtrent 45% er flytegrensen av denne legering øket til omtrent 1035 MPa. IN 718-lignende legeringer har også en flytegrense på omtrent 500 MPa etter sveisingen, og etter kaldbearbeidning på i det minste 35% er flytegrensen bragt til like over 1000 MPa. Imidlertid oppviser ikke alle IN 718-lignende legeringer en sterk økning av flytegrensen ved kaldbearbeidning eller varmebehandling, noe som skal beskrives i videre detalj nedenfor.

For legeringer som inneholder Nb og/eller Ta kan en ytterligere økning i legeringens flytegrense oppnås etter kaldbearbeidning ved hjelp av en utfellingsherdende varmebehandling. Dette gjelder også legeringer som inneholder Al og Ti, men disse krever vanligvis finjustering av disse to bestanddeler og lider videre av den mindre ulempe at det etter sveisingen kan være nødvendig å utføre oppløsningsbe-handling med påfølgende varmebehandling for å muliggjøre kaldbearbeidning da Al og Ti har en utfellingsherdende effekt allerede ved sveising.

Alternativt kan seteområdelegeringen være en nikkelbasert, krominneholdende legering som inneholder Nb og/eller Ta. Legeringen sveises på ventilhodet, hvorpå dens flytegrense økes til en verdi over nevnte nedre grense ved hjelp av en utskillingsherdende varmebehandling. Et eksempel på en slik legering som kan oppnå en høy flytegrense uten kaldbearbeidning er Rene 220. Etter sveising har denne legering en lav flytegrense, men ved en egnet varmebehandling kan flytegrensen ved bearbeidning lett bringes betydelig over 1000 MPa. NIMONIC Alloy PK31 og IN 718-lignende legeringer kan gis flytegrenser på betydelig over 1000 MPa ved varmebehandling uten kaldbearbeidning.

Et ytterligere alternativ som heller ikke involverer kaldbearbeidning er at setelegeringen er en nikkelbasert, krominneholdende legering som i form av vektprosent inneholder i det minste 10% oppløsningsforsterkende bestanddeler, så som Mo, W, Co, Hf, Fe og/eller Cr, og utskillingsherdende bestanddeler så som Nb, Ta, Al og/eller Ti, og at legeringen sveises på ventilhodet og dens flytegrense økes til en verdi som er høyere enn nevnte nedre grense ved hjelp av en utskillingsherdende varmebehandling. Da disse legeringer inneholder oppløsningsforsterkende bestanddeler har de en tendens til å øke flytegrensen dersom de i praksis utsettes for plastisk deformasjon av en pulverhaug.

I en annen utførelse er seteområdelegeringen en nikkelbasert, krominneholdende legering som innbefatter i det minste én bestanddel valgt blant Co, Mo, Hf, Fe, W, Ti, Nb, Ta, Al, og i det minste seteområdet er fremstilt ved hjelp av en HIP-prosess (Hot Isostatic Pressure), eventuelt med en påfølgende varmebehandling for å gi kontrollert utskillingsherdning, typisk oppløsningsbehandling fulgt av brå-kjøling og utskillingsherdning. Blant spesielt velegnede legeringer kan nevnes IN 100, som har en flytegrense på omtrent 1300 MPa ved omtrent 20°C etter HIP-prosessen og som videre er spesielt fordelaktig ved at flytegrensen opprett-holdes på et meget høyt nivå ved spindelens brukstemperatur, idet flytegrensen er omtrent 1285 MPa ved 650°C. Etter HIP-prosessen har Merl 76 en flytegrense på omtrent 1200 MPa, og Udimet 700 har en tilsvarende høy flytegrense. Rene 95 er også egnet og har etter HIP-prosessen en flytegrense på omtrent 1230 MPa, fallende til omtrent 1160 MPa ved 500°C. Legeringen NIMONIC Alloy 105 kan også benyttes, eventuelt med en mindre modifikasjon av bestanddelene som danner karbonitridforbindelser og oksidforbindelser, som etter HIP-prosessen kan danne koherente kjeder av sprø forbindelser, såkalte PPBr (Prior Particle Boundaries). I den grad disse legeringer inneholder oppløsningsstyrkende bestanddeler kan flytegrensen ytterligere økes ved kaldbearbeidning. HIP-prosessen kan også suppleres med smiing og ekstruderingsprosesser. Som et alternativ til HIP-prosessen kan også andre pulvermetallurgiske kompakteringsproses-ser benyttes med de ovennevnte setelegeringer.

I enda en utførelse er seteområdematerialet en nikkelbasert, krominneholdende legering som innbefatter i det minste én bestanddel valgt blant Co, Mo, W, Hf, Fe, Ti, Nb, Ta, Al, idet seteområdet fremstilles enten ved hjelp av støping eller pulvermetallurgisk anvendelse fulgt av termomekanisk smiing, valsing eller hamring ved en temperatur som er lavere enn, eller rundt legeringens rekrystallisasjonstemperatur og med en grad av deformasjon av seteområdet som øker flytegrensen av dennes legering til en verdi som er høyere enn nevnte nedre grense. Den pulvermetallurgiske anvendelse kan f.eks. være termisk påsprøyting av partikulært eller pulverformet utgangsmateriale på et spindelbasislegeme, og den termomekaniske smiing kan omfatte kaldbearbeidning av det påsprøytede materiale. Fortrinnsvis skjer kaldbearbeidningen ved en egnet hevet temperatur for å unngå utskillingsherding i en grad som kan sjenere deformasjonspro-sessen. Seteområdet kan f.eks. være laget av en IN 718-lignende legering som kan være blitt eksponert til en deformasjonsgrad av i det minste 35%. Seteområdet kan også være laget av en INCONEL Alloy X-750 som er blitt varmbear-beidet og utskillingsherdet til en flytegrense på omtrent 1110 MPa. Dersom legeringen inneholder utskillingsherdende bestanddeler av ovennevnte type, er det videre mulig å øke flytegrensen ytterligere gjennom en utskillingsherdende varmebehandling.

Spesielt fordelaktige legeringer for seteområdelegeringer omfatter 10-25% Cr, maksimalt 25% Co, maksimalt 10% Mo+W, maksimalt 11% Nb, maksimalt 20% Ta, maksimalt 3% Ti, maksimalt 0,55% Al, maksimalt 0,3% C, maksimalt 1% Si, maksimalt 0,015% P, maksimalt 0,015% S, maksimalt 3% Mn, maksimalt 25% Fe og resten Ni, og fortrinnsvis er bestanddelene Al, Ti og Ni begrenset til maksimalt 0,5% Al, 0,7-3% Ti og 52-57% Ni, idet innholdet av Nb + Ta/2 hensiktsmessig er minst 3%.

Valget av legering og den derav betingede fremstillingspro-sess kan være influert av eksosventilens størrelse da en kaldbearbeidning på mange prosent kan kreve sterke verk-tøyer når ventilhodet er stort, f.eks. når den ytre diameter ligger i intervallet fra 130 mm til 500 mm.

Foreliggende oppfinnelse vedrører også bruken av en nikkelbasert, krominneholdende legering med en flytegrense på i det minste 1000 MPa ved omtrent 20°C som et innhakksbegrensende eller -forhindrende legering i et ringformet seteområde på den øvre flate av et bevegelig ventilhode i en eksosventil for en forbrenningsmotor, spesielt en totakts krysshodemotor, hvilket seteområde er laget av en legering som er forskjellig fra ventilhodets basislegering, og som hviler mot et tilsvarende seteområde på et stasjonært ventilorgan når ventilen er lukket. De spesielle fordeler ved å benytte en slik innhakksbegrensende legering vil fremgå av den ovenstående beskrivelse.

Eksempler på utførelser av oppfinnelsen skal nå beskrives nedenfor i ytterligere detalj under henvisning til den svært skjematiske tegning, hvor

fig. 1 er et lengdesnitt gjennom en eksosventil ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 er et utsnitt av de to seteområder med et typisk innhakk inntegnet,

fig. 3-6 er utsnitt av de to seteområder og illustrerer partikkelknusingen og de innledende trinn av innhakksdannelsen,

fig. 7 og 8 er forstørrede utsnitt av innhakksdannelsen, og

fig. 9 er et tilsvarende bilde av overflatene umiddelbart etter gjenåpning av ventilen.

Fig. 1 viser en eksosventil generelt betegnet med 1 for en stor totakts forbrenningsmotor, som kan ha sylinderdiametre varierende fra 250 til 1000 mm. Det stasjonære ventilorgan 2 av eksosventilen, også kalt bunnstykket, er montert i et sylinderdeksel, ikke vist. Eksosventilen har en bevegelig spindel 3 som ved sin nedre ende bærer et ventilhode 4 og vil på velkjent måte være forbundet ved sin øvre ende med en hydraulisk aktuator for åpning av ventilen og en pneuma-tisk returfjær som returnerer ventilspindelen til sin lukkede stilling. Fig. 1 viser ventilen i en delvis åpen stilling.

Den nedre flate på ventilhodet er forsynt med et lag av varmkorrosjonsresistent materiale 5. Et ringformet seteområde 6 på den øvre flate av ventilhodet befinner seg i en avstand fra den ytre kant av hodet og har en konisk tet-ningsf late 7. Ventilhodet for den store totakts krysshodemotor kan ha en ytterdiameter i intervallet fra 120 til 500 mm, avhengig av sylinderboringen.

Det stasjonære ventilorgan er også forsynt med et litt ut-ragende seteområde 8 som danner en ringformet, konisk tetningsflate 9 som hviler mot tetningsflaten 7 i ventilens lukkede stilling. Da ventilhodet endrer form under oppvar-ming til brukstemperaturen, er seteområdet konstruert slik at de to tetningsflater er parallelle ved ventilens brukstemperatur, hvilket betyr at på et kaldt ventilhode vil tetningsflaten 7 kun ligge an mot tetningsflaten 9 ved sistnevntes øvre rand 10 plassert lengst unna forbrenningskammeret. Fig. 2 viser et typisk innhakk 11 som ender omtrent 0,5 mm fra lukkeranden på tetningsflaten 7, nemlig den sirkulære bue hvor den øvre rand 10 treffer tetningsflaten 7 som angitt av den vertikale brutte linje. Fig. 3 viser en hard partikkel 12 som er blitt fanget mellom de to tetningsflater 7, 9 umiddelbart før ventilen lukker fullstendig. Ved den fortsatte lukkebevegelse blir partikkelen knust til pulver, hvorav en betydelig del med-føres av gassen som strømmer opp mellom setene med lydhastighet, som vist ved pilen A på fig. 4. En del av pulveret fra den knuste partikkel vil bli låst mellom tet-ningsflatene 7, 9 fordi partiklene nærmest flatene fasthol-des av friksjonskrefter, og partiklene i det mellomliggende rom låses på grunn av skjærkrefter i pulveret. Således danner det seg motstående koniske pulverhauger som vender seg mot hverandre topp mot topp. Den hittil rådende anta-kelse om at en fast partikkel fanges mellom seteflatene, er således ikke korrekt. Istedenfor skjer det en reduksjon av mengden av materiale fanget mellom seteflatene fordi deler av pulveret blåses bort.

Ved den fortsatte lukkebevegelse kollapser de koniske pul-veransamlinger og spres i flatenes plan til et linseformet pulverlegeme eller en pulverhaug, som vist på fig. 5. Dette linseformede pulverlegeme har vist seg å ha en maksimal tykkelse på 0,5 mm, og en normal tykkelse for de største ansamlinger er mellom 0,3 og 0,4 mm.

Fig. 6 viser situasjonen når ventilen er lukket, men før trykket i forbrenningskammeret stiger som en konsekvens av brennstoffets forbrenning. Den pneumatiske returfjær er i seg selv ikke sterk nok til å trekke tetningsflaten 7 helt tett mot tetningsflaten 9 i området rundt pulverlegemet.

Når trykket i forbrenningskammeret stiger etter brennstoffets antennelse, stiger den oppadrettede kraft mot den nedre hodeflate sterkt, og tetningsflåtene presses tettere mot hverandre, og samtidig begynner pulverlegemet å deformere tetningsflåtene elastisk. Dersom pulverlegemet er tilstrekkelig tykt og materialets flytegrense ikke er tilstrekkelig høy, vil den elastiske deformasjon gå over i plastisk deformasjon og gjøre innhakket permanent. Fig. 7 viser en situasjon hvor det stasjonære seteområde 8 har den høyeste flytegrense og hvor seteområdet 6 på hodet er deformert elastisk til like under sin flytegrense. Ved fort-satt sammentrykning til den helt sammentrykkede stilling mellom tetningsflåtene vist på fig. 8, vil pulverlegemet synke inn i tetningsflaten slik at setematerialet blir plastisk deformert.

Når ventilen åpner på nytt blåses partiklene bort av den utstrømmende gass som vist på fig. 9, og samtidig fjærer setematerialene tilbake til sin ubelastede tilstand. I den grad en plastisk deformasjon er skjedd av den ene eller begge seteflater, vil et permanent innhakk 11 foreligge i tetningsflaten med en mindre dybde enn den største inntryk-ning gjort av pulverlegemet. Jo høyere flytegrensen av setematerialet er, desto mindre blir innhakket.

Eksempler på analyser av egnede setelegeringer skal nå beskrives. Alle mengder er oppgitt i vektprosent, og de uunngåelige forurensninger er sett bort fra. Det skal også nevnes at angivelsene av flytegrenser i foreliggende beskrivelse betyr flytegrenser ved en temperatur på omtrent 20°C, med mindre en annen temperatur er angitt. Legeringene er krominneholdende nikkelbaserte legeringer (eller nikkelinneholdende krombaserte legeringer), og de har den egenskap at det ikke er noen egentlig korrelasjon mellom legeringens hardhet og dens flytegrense, men på den annen side foreligger det antakelig en korrelasjon mellom hardheten og strekkstyrken. I forbindelse med disse legeringer betyr flytegrense den spenning som dannes ved en deformasjon på 0,2 (Rpo,2) •

Legeringen IN 625 omfatter 20-23% Cr, 8-10% Mo, 3,15-4,15% Ta+Nb, opptil 5% Fe, opptil 0,1% C, opptil 0,5% Mn, opptil 0,5% Si, opptil 0,4% Al, opptil 0,4% Ti, opptil 1,0% Co, opptil 0,015% S, opptil 0,015% P og resten i det minste 58% Ni. Legeringens flytegrense kan økes ved hjelp av plastisk deformasjon og i noen grad også ved utskillingsherding.

Legeringen IN 671 omfatter 0,04-0,08% C, 46-49% Cr, 0,3-0,5% Ti og resten Ni. Legeringens flytegrense kan økes ved hjelp av plastisk deformasjon og ved utskillingsherding.

Legeringen IN 690 omfatter 27-30% Cr, 7-11% Fe, opptil 0,05% C, eventuelt små mengder av Mg, Co, Si, og resten i det minste 58% Ni. Legeringens flytegrense kan økes ved hjelp av plastisk deformasjon.

Den IN 718-lignende legering omfatter 10-25% Cr, opptil 5% Co, opptil 10% Mo+W, 3-12% Nb+Ta, opptil 3% Ti, opptil 2% Al, opptil 0,3% C, opptil 1% Si, opptil 0,015% P, opptil 0,015% S, opptil 3% Mn, 5-25% Fe og resten Ni. Legeringen er spesiell ved at mulighetene for å øke flytegrensen i sterk grad avhenger av mengdene av de individuelle bestanddeler, spesielt Al, Ti, Ni og Nb, idet Al-innholdet har spesiell innflytelse. Dersom innholdet av Al er høyere enn 0,55%, påvirkes flytegrensen negativt. Al-innholdet bør holdes under 0,5%. Dersom det er ønskelig å øke flytegrensen ved hjelp av utskillingsherdning, bør innholdet av

Nb+Ta være høyere enn 4%, fortrinnsvis høyere enn 7%, og innholdet av Ti bør være høyere enn 0,7%, fortrinnsvis i

intervallet fra 0,95% til 2%. Samtidig kan innholdet av Ni med fordel være i intervallet mellom 47% og 60%, fortrinnsvis mellom 52% og 57%. Dersom det er ønskelig å øke flytegrensen ved hjelp av plastisk deformasjon, bør innholdet av Co og Mo+W velges i den øvre halvdel av ovennevnte intervaller. Dersom bestanddelene velges innenfor de ovenfor foretrukne intervaller og legeringen både deformeres plastisk, f.eks. mer enn 50%, og utskillingsherdes, kan flytegrensen bringes til mer enn 1600 MPa.

Legeringen NIMONIC Alloy 105 har en nominell analyse på 15% Cr, 20% Co, 5% Mo, 4,7% Al, opptil 1% Fe, 1,2% Ti og resten Ni.

Legeringen Rene 220 omfatter 10-25% Cr, 5-25% Co, opptil 10% Mo+W, opptil 11% Nb, opptil 4% Ti, opptil 3% Al, opptil 0,3% C, 2-23% Ta, opptil 1% Si, opptil 0,015% S, opptil 5% Fe, opptil 3% Mn og resten Ni. Nominelt inneholder Rene 220 0,02% C, 18% Cr, 3% Mo, 5% Nb, 1% Ti, 0,5% Al, 3% Ta og resten nikkel. Deformasjon kombinert med utskillingsherding kan gi en ekstremt høy flytegrense i dette materiale. Ved en deformasjonsgrad på 50% ved 955°C blir flytegrensen omtrent 1320 MPa; ved en deformasjonsgrad på 50% ved 970°C blir flytegrensen omtrent 1400 MPa; ved en deformasjonsgrad på 50% ved 990°C blir flytegrensen omtrent 14 65 MPa, og ved en deformasjonsgrad på 25% ved 970°C blir flytegrensen omtrent 1430 MPa. Utskillingsherding er blitt benyttet i 8 timer ved 760°C, etterfulgt av 24 timer ved 730°C og 25 timer ved 690°C.

Legeringen NIMONIC PK31 omfatter nominelt 0,04% C, 20% Cr, 2,3% Ti, 0,45% Al, 14% Co, 4,5% Mo, 5% Nb, opptil 1% Fe og mulige små mengder av Si, Cu og M, og resten Ni. Legeringen Merl 76 har en nominell analyse på 0,015% C, 11,9% Cr, 18% Co, 2,8% Mo, 1,2% Nb, 0,3% Hf, 4,9% Ti, 4,2% Al, 0,016% B, 0,04% Zr,og resten Ni.

Legeringen Udimet 700 har en nominell analyse på 0,15% C, 15% Cr, 18,5% Co, 5,3% Mo, 4,2% Ti, 3,5% Al, opptil 1% Fe og resten Ni.

Legeringen Rene 95 omfatter opptil 0,08% C, 11,8-14,6% Cr, 7,5-8,5% Co, 3,1-3,9% Mo, 3,1-3,9% W, 3,1-3,9% Nb, 3,1-3,9% Ti, 2,1-3,1% Al, opptil 0,02% B, opptil 0,075% Zr og resten Ni.

Når det gjelder de nominelle analyser angitt ovenfor, vil det være klart at avhengig av den legering det dreier seg om, vil det i praksis oppstå naturlige avvik fra den nominelle analyse, på samme måte som uunngåelige forurensninger kan opptre i alle analysene.

Teknisk litteratur beskriver i detalj hvorledes man skal varmebehandle de forskjellige legeringer for å gi utskillingsherdning, og varmebehandlingen for oppløsningsbehand-ling og rekrystallisasjons-temperaturene for legeringene er også velkjent. Derfor vil kun noen få eksempler bli beskrevet nedenfor.

Rene 220:

Fire lag av et sveisepulver med analysen: 0,03% C, 20,2% Cr, 2,95% Mo, 11,7% Co, 1,2% Ti, 5,05% Nb, 3,1% Ta, og resten Ni ble sveiset ved hjelp av PTAW på et basislegeme av austenittisk rustfritt stål AISI 316. Legemet med legeringen ifølge oppfinnelsen således anbragt ble deretter varmebehandlet i 4 timer ved 775°C og i 4 timer ved 700°C. Av basislegemet ble det laget to vanlige strekkprøvestyk-ker, og strekkprøven viste en flytegrense Rp<,(2 på hhv. 1138 MPa og 1163 MPa. Deretter ble et basislegeme fremstilt på samme måte varmebehandlet i 4 timer ved 750°C fulgt av 8 timer ved 700°C. Ved strekkprøven ble flytegrensene av de to prøvestykker målt til hhv. 1074 MPa og 1105 MPa. Deretter ble et basislegeme fremstilt på samme måte varmebehandlet i 8 timer ved 750°C fulgt av 4 timer ved 700°C. Ved strekkprøven ble flytegrensen for de to prøvestykker målt til hhv. 1206 MPa og 1167 MPa. Endelig ble et basislegeme fremstilt på samme måte varmebehandlet i 4 timer ved 800°C fulgt av 8 timer ved 700°C. Ved strekkprøven ble flytegrensen for de to prøvestykker målt til hhv. 1091 MPa og 1112 MPa.

I de tilfeller hvor det er ønskelig å øke flytegrensen ved hjelp av kaldbearbeidning av materialet, kan dette utføres på velkjent måte, f.eks. ved valsing eller smiing av seteområdet, eller på annen måte, så som banking eller hamring av dette, hvorpå tetningsflaten av setet slipes inn. Dersom legeringen inneholder utskillingsherdende bestanddeler, kan kaldbearbeidningen hensiktsmessig utføres ved en egnet hevet temperatur som nevnt ovenfor.

Nedenfor skal det gis et eksempel på fremstillingen av en eksosventil hvor seteområde utformes ved hjelp av en HIP-prosess. Et basislegeme av et egnet materiale, så som stål, legert stål eller en nikkellegering, fremstilles på vanlig måte til den forønskede form uten seteområdet. Deretter blir den ønskede setelegering påført på basislegemet ved hjelp av en velkjent HIP-prosess (HIP er en forkortelse for Hot Isostatic Pressure). Denne prosess benytter partikulært utgangsmateriale, f.eks. fremstilt ved atomisering av en væskestråle av en smeltet nikkel- og krominneholdende legering inn i et kammer med en inaktiv atmosfære, hvorved det dråpeformede materiale bråkjøles og størkner som partikler med en meget tett dendrittisk struktur.

Det partikulære utgangsmateriale anordnes oppå basislegemet på den øvre flate av ventilhodet i en mengde justert til den forønskede tykkelse av seteområdet. Deretter blir legemet anbragt i en form og plassert i et HIP-kammer som lukkes, og et vakuum utøves for å trekke ut uønskede gasser. Så blir HIP-prosessen startet, hvorunder det partikulære materiale oppvarmes til en temperatur varierende mellom 950 og 1200°C, og et høyt trykk på f.eks. 900-1200 bar påføres. Ved disse betingelser blir det opprinnelige pulver plastisk og forenes til et koherent, tett materiale hovedsakelig uten smelting. Deretter fjernes legemet, og om ønskelig kan det så utsettes for oppløsningsbehandling, f.eks. for Rene 95 i 1 time ved en temperatur på 1150°C etterfulgt av bråkjøling enten i et saltbad til en mellomtem-peratur (typisk 535°C) etterfulgt ved luftkjøling til romtemperatur, eller ved bråkjøling i gasser til romtemperatur. Deretter kan varm/kaldbearbeidning utføres etter disse trinn, og dersom legeringens sammensetning gjør det mulig, kan også utskillingsherdning utføres, f.eks. for Rene 95 i 1 time ved 870°C, fulgt av 24 timer ved 650°C, hvorpå legemet bringes til romtemperatur ved luftkjøling. Endelig kan legemet slipes til de forønskede dimensjoner.

Som basislegeme er det mulig å benytte et ventilhode uten stamme, idet stammen blir montert til ventilhodet etter gjennomført HIP-prosess. Denne montering kan f.eks. skje ved hjelp av friksjonssveising. Fordelene ved å gjøre dette er at HIP-kammeret blir bedre utnyttet fordi kammeret kan inneholde flere basislegemer samtidig når stammen et-termonteres. Det er også mulig å fremstille hele ventilhodet, eller om ønskelig hele ventilspindelen, fra et partikulært materiale ved hjelp av HIP-prosessen ved bruk av forskjellige partikkelsammensetninger i forskjellige områder av legemet tilpasset til de forønskede materialegenskaper i de angjeldende områder og basert på økonomiske hen-syn .

Kaldbearbeidning i foreliggende forbindelse betyr enten re-gulær kaldbearbeidning ved en temperatur betydelig under rekrystalliserings-temperaturen for legeringen, eller en termodynamisk deformasjon ved en temperatur under eller like rundt det nedre temperaturområde for rekrystallise-ringen. I sistnevnte tilfelle er det fordelaktig å kjøle legemet til arbeidstemperaturen fra en oppløsningsbehand-ling uten først å ha kjølt det ned til romtemperatur.

Claims (18)

1. Eksosventil (1) for en forbrenningsmotor, spesielt en totakts krysshodemotor, omfattende en bevegelig spindel (3) med et ventilhode (4) som på sin øvre flate har et ringformet seteområde (6) av en legering som er forskjellig fra ventilhodets basismateriale, hvilket seteområde kommer til anlegg mot et tilsvarende seteområde (6) på et stasjonært ventilorgan (2) i ventilens lukkede stilling, karakterisert ved at seteområdet (6) på den øvre flate av ventilhodet (4) er laget av en legering som har en flytegrense (Rpo,2) på i det minste 1000 MPa ved en temperatur på omtrent 20°C.

2. Eksosventil ifølge krav 1, karakterisert ved at seteområdelegeringen har en flytegrense på minst 1100 MPa, fortrinnsvis minst 1200 MPa.

3. Eksosventil ifølge krav 2, karakterisert ved at setelegeringen har en flytegrense på minst 1300 MPa, fortrinnsvis minst 1400 MPa.

4. Eksosventil ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at seteområdene på hhv. det stasjonære organ (2) og ventilhodet (4) har hovedsakelig samme flytegrense ved seteområdenes brukstemperatur.

5. Eksosventil ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at seteområdet (8) på det stasjonære organ (2) har en hovedsakelig høyere flytegrense enn seteområdet (6) på ventilhodet (4) ved seteområdenes brukstemperatur.

6. Eksosventil ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at seteområdelegeringen er en nikkelbasert, krominneholdende legering som i form av vektprosent omfatter i det minste 10% av oppløsnings-forsterkende bestanddeler, så som en eller flere bestanddeler valgt blant Mo, W, Co, Hf, Fe og Cr, og at legeringen er sveiset på ventilhodet, hvoretter legeringens flytegrense er blitt øket til en høyere verdi enn nevnte lavere grense ved kaldbearbeidning av materialet ved en temperatur som er lavere enn eller rundt legeringens rekrystallise-ringstemperatur.

7. Eksosventil ifølge krav 6, karakterisert ved at legeringen inneholder Nb eller Ta eller begge disse, og at legeringens flytegrense etter kaldbearbeidningen er blitt ytterligere øket ved hjelp av en utskillingsherdende varmebehandling.

8. Eksosventil ifølge krav 6, karakterisert ved at legeringen inneholder Al og Ti, og at etter sveisingen, men før kaldbearbeidningen, er legeringen blitt oppløsningsbehandlet og deretter bråkjølt.

9. Eksosventil ifølge et av kravene 1-8, karakterisert ved at seteområdelegeringen er en nikkelbasert, krominneholdende legering som inneholder Nb og Ta eller begge disse, at legeringen er blitt sveiset på ventilhodet, og at etter sveisingen er legeringens flytegrense blitt øket til en verdi høyere enn nevnte nedre grense ved hjelp av en utskillingsherdende varmebehandling.

10. Eksosventil ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at seteområdelegeringen er en nikkelbasert, krominneholdende legering som i vektprosent inneholder minst 10% oppløsningsforsterkende bestanddeler, så som en eller flere bestanddeler valgt blant Mo, W, Co, Hf, Fe og Cr, og utskillingsherdende bestanddeler så som en eller flere bestanddeler valgt blant Nb, Ta, Al og Ti, og at legeringen er sveiset på ventilhodet og deretter har fått sin flytegrense øket til en verdi høyere enn nevnte nedre grense ved hjelp av en utskillingsherdende varmebehandling.

11. Eksosventil ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at seteområdelegeringen er en nikkelbasert, krominneholdende legering som innbefatter i det minste én bestanddel valgt blant Co, Mo, Hf, Fe, W, Ti, Nb, Ta, Al, og at i det minste seteområdet er fremstilt ved hjelp av en HIP-prosess.

12. Eksosventil ifølge krav 11, karakterisert ved at legeringens flytegrense er blitt ytterligere øket ved kaldbearbeidning av materialet etter HIP-prosessen.

13. Eksosventil ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at seteområdelegeringen er en nikkelbasert, krominneholdende legering som innbefatter i det minste én bestanddel valgt blant Co, Mo, W, Hf, Fe, Ti, Nb, Ta, Al, og at i det minste seteområdet er blitt fremstilt ved hjelp av enten støping eller pulvermetallurgisk påføring fulgt av termomekanisk deformasjon ved en temperatur lavere enn eller rundt legeringens rekrystallisasjonstemperatur og med en deformasjonsgrad av seteområdet som øker flytegrensen av dettes materiale til en verdi som er høyere enn nevnte lavere grense.

14. Eksosventil ifølge krav 13, karakterisert ved at den termomekaniske deformasjon innbefatter kaldbearbeidning av legeringen.

15. Eksosventil ifølge et av kravene 11-14, karakterisert ved at legeringens flytegrense er blitt øket ved utskillingsherdende varmebehandling.

16. Eksosventil ifølge et av kravene 8, 10, 11 eller 13, karakterisert ved at seteområdelegeringen omfatter 10-25% Cr, maksimalt 25% Co, maksimalt 10% Mo+W, maksimalt 11% Nb, maksimalt 20% Ta, maksimalt 3% Ti, maksimalt 0,55% Al, maksimalt 0,3% C, maksimalt 1% Si, maksimalt 0,015% P, maksimalt 0,015% S, maksimalt 3% Mn, maksimalt 25% Fe og resten Ni, og fortrinnsvis at bestanddelene Al, Ti og Ni er begrenset til maksimalt 0,5% Al, 0,7-3% Ti og 52-57% Ni, idet innholdet av Nb + 0,5 Ta4 hensiktsmessig er minst 3%.

17. Eksosventil ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at ytterdiameteren av ventilhodet ligger i intervallet fra 130 mm til 500 mm.

18. Bruk av en nikkelbasert, krominneholdende legering med en flytegrense på minst 1000 MPa ved omtrent 20°C som et innhakkbegrensende eller -forhindrende materiale i et ringformet seteområde (6) på den øvre flate av et bevegelig ventilhode (4) i en eksosventil (1) for en forbrenningsmotor, spesielt en totakts krysshodemotor, hvilket seteområde er laget av en legering som er forskjellig fra ventilhodets basismateriale og ligger an mot et tilsvarende seteområde (8) på et stasjonært ventilorgan (2) når ventilen er lukket.