NO322671B1 - Bevegelig veggorgan i form av en eksosventilspindel eller et stempel i en forbrenningsmotor - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et bevegelig veggorgan i form av en eksosventilspindel eller et stempel i en forbrenningsmotor, hvor den side av veggorganet som vender mot et forbrenningskammer er forsynt med et varmekorrosjonsresistent materiale laget av et partikulært utgangsmateriale av en nikkel- og krominneholdende legering, som ved hjelp av en HIP-prosess er blitt forenet til et koherent materiale hovedsakelig uten å smelte utgangsmaterialet .

Et varmekorrosjonsresistent materiale i foreliggende sam-menheng betyr et materiale som er motstandsdyktig mot korrosjon i det miljø som eksisterer i forbrenningskammeret av en forbrenningsmotor ved en driftstemperatur i området fra 550°C til 850°C.

Fra praktisk konstruksjon av store totakts dieselmotorer av merket MAN B&W Diesel er det kjent en eksosventilspindel av den sammensatte type hvor den nedre flate av ventilhodet og seteområdet av en spindelbasis ved hjelp av en HIP-prosess er forsynt med et lag av varmekorrosjonsresistent materiale av legeringen Nimonic 80A, som inneholder 18-21% krom og omtrent 75% nikkel. I tillegg til sin korrosjonsmotstand har denne legering en slik hardhet, omtrent 400 HV20, at den er egnet som vent i Iset erna - teriale. Vanligvis må ventilseter ha høy hardhet for å motvirke dannelsen av innhakk i tetningsflåtene når rest-partikler fra forbrenningsprosessen klemmes hardt mellom seteflåtene når ventilen lukker.

EP-A 0 521 821 beskriver bruk av legeringen Inconel 671 som en hardsveislegering i ventilseteområdet. Denne legering inneholder 0,04-0,05% C, 47-49% Cr, 0,3-0,40% Ti og resten nikkel. Ventilseteområdet er plassert på den øvre flate av ventilhodet som et kontinuerlig, ringformet belegg. Som nevnt ovenfor, er det en betingelse for se-teområder at legeringen har høy hardhet. EP-publikasjon-en nevner at Inconel 671 er antatt å ha dårligere korrosjonsmotstand enn legeringen Inconel 625, som også fore-slås som hardsveismateriale.

Søkerens internasjonale patentsøknad publisert som W096/18747 beskriver en eksosventilspindel med en på-sveiset hardsveislegering med analysen 40-51% Cr, fra 0 til 0,1% C, mindre enn 0,1% Si, fra 0 til 5,0% Mn, mindre enn 1,0% Mo, fra 0,05 til 0,5% B, fra 0 til 1,0% Al, fra 0 til 1,5% Ti, fra 0 til 0,2% Zr, fra 0,5 til 3,0% Nb, et samlet innhold av Co og Fe på maksimalt 5,0%, maksimalt 0,2% 0, maksimalt 0,3% N og resten Ni. Etter sveisingen gis dette ventilsetemateriale en høy hardhet på f.eks. 550 HV20 ved hjelp av en varmebehandling ved en temperatur som overskrider 550°C.

Det er vanlig antatt at varmekorrosjonsresistente legeringer som inneholder krom og nikkel herder ved elding ved temperaturer i området fra 550°C til 850°C, dvs. at legeringen blir hardere og sprøere. For å oppnå meget god varmekorrosjonsmotstand i tilfellet av støpte deler, spesielt i miljøer som inneholder svovel og vanadium fra forbrenningsprodukter av tung brenselolje, er det kjent å benytte en legering av typen 50% Cr og 50% Ni, eller en legering av typen IN 657 som inneholder 48-52% Cr, 1,4-1,7% Nb, maksimalt 0,1% C, maksimalt 0,16% Ti, maksimalt 0,2% C+N, maksimalt 0,5% Si, maksimalt 1,0% Fe, maksimalt 0,3% Mg og resten Ni. Etter støpingen omfatter legeringen en nikkelrik Y_rase og en kromrik a-fase hvor begge fasene, avhengig av den nøyaktige analyse av legeringen, kan utgjøre den primære dendritt-struktur. Det er kjent at disse legeringer herder ved elding ved brukstemperaturer som overskrider 600°C. Dette skyldes at når legeringen avkjøles, størkner den ikke i sin likevektstil-stand. Når legeringen deretter befinner seg ved sin brukstemperatur, skjer det en utfelling av den under-representerte faseproporsjon ved transformasjon av den overrepresenterte faseproporsjon, noe som forårsaker en sprøgjøring kjennetegnet ved en duktilitet på mindre enn 4% ved romtemperatur. På grunn av disse relativt dårlige styrkeegenskaper har legeringen kun blitt brukt for lavt belastede støpte deler.

Den tekniske artikkel "Review of operating experince with current valve materials" publisert av The Institute of Marine Engineers, London, i 1990, gir en oversikt over anvendbare belegningslegeringer for eksosventiler for dieselmotorer og beskriver problemene ved varmekorrosjon i dieselmotorer i detalj. Artikkelen er spesielt rettet mot de forhold som eksisterer ved seteflatene av eksos-ventilspindelen.

Ved den nedre flate av ventilspindelen og ved den øvre flate av stempelet skal det varmekorrosjonsresistente materiale begrense korrosive angrep slik at ventilspindelen og/eller stempelet får en fordelaktig lang levetid. Den øvre stempelflate og den nedre ventilhodeflate har store arealer og er derfor eksponert til betydelige varmespenninger når motorens belastning endres, f.eks. når motoren startes eller stoppes. Varmebelastningen er sterkest i midten av områdene, dels fordi forbrenningsgassene har sin høyeste temperatur nær midten av forbrenningskammeret, dels fordi stempelet og ventilspindelen kjøles nær områdenes kanter. Ventilhodet kjøles nær seteområdene på den øvre flate, som er i kontakt med det vannkjølte, sta-sjonære ventilsete når ventilen er lukket, og for stempelet ledes varme bort til den vannkjølte sylinderf6ring gjennom stempelringene, i tillegg til at olje kjøler den indre stempelflate. Det kaldere periferielle materiale forhindrer termisk ekspansjon av det varmere sentrale materiale og forårsaker betydelige varmespenninger.

Det er velkjent at de langsomt varierende, men store varmespenninger som forårsakes av nevnte termiske påvirk-ninger kan forårsake stjernesprekking som starter i midten av den nedre flate på ventilhodet. Stjernesprekkingen kan være så dyp at det varmekorrosjonsresistente materiale penetreres, slik at det tilstøtende materiale ekspone-res for den korrosive belastning og eroderes, noe som fø-rer til svikt i eksosventilen.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en eksosventilspindel eller et stempel som har en fordelaktig lang levetid av det varmekorrosjonsresistente materiale.

For dette formål er veggorganet angitt i innledningen av krav 1 ifølge oppfinnelsen karakterisert ved at, som angitt i vekt% og bortsett fra vanlige forurensninger på uunngåelige restmengder av deoksiderende bestanddeler, det korrosjonsresistente materiale omfatter fra 38 til 75% Cr og valgfritt fra 0 til 0,15% C, fra 0 til 1,5% Si, fra 0 til 1,0% Mn, fra 0 til 0,2% B, fra 0 til 5,0% Fe, fra 0 til 1,0% Mg, fra 0 til 2,5% Al, fra 0 til 2,0% Ti, fra 0 til 8,0% Co, fra 0 til 3,0% Nb, så vel som valgfrie bestanddeler av Ta, Zr, Hf, w og Mo, og resten Ni, idet det samlede innhold av Al og Ti beløper seg til maksimalt 4,0%, og det samlede innhold av Fe og Co beløper seg til maksimalt 8,0%, og det samlede innhold av Ni og Co belø-per seg i det minste til 25%, og at det korrosjonsresistente materiale har en hardhet på mindre enn 310 HV målt ved omtrent 20°C etter at materialet er blitt varmet til en temperatur i området 550-850°C i mer enn 400 timer.

Ganske overraskende har det vist seg at materialet av denne sammensetning produsert ved HIP-prosessen ikke herder ved de brukstemperaturer som dét bevegelige veggorgan utsettes for i en forbrenningsmotor, og det er således mulig å opprettholde en fordelaktig lav hardhet på mindre enn 310 HV20 og en tilsvarende egnet duktilitet av det varmekorrosjonsresistente materiale på den side av det bevegelige veggorgan som vender mot forbrenningskammeret. Den lave hardhet begrenser eller forhindrer sprekkdannelse i materialet, og levetiden av veggorganet er således ikke begrenset av tretthetsbrudd i materialet. Oppfinnelsen medfører den ytterligere fordel at materialet opprettholder meget gode mekaniske egenskaper selv etter lang tids varmepåvirkning. Således opprettholder materialet en høy strekkstyrke kombinert med høy duktilitet, noe som er ganske uvanlig for nikkellegeringer med et høyt innhold av krom. Disse egenskaper muliggjør også å la det korrosjonsresistente materiale erstatte i det minste en del av det vanlige lastbærende materiale av veggorganet, slik at veggorganet kan utformes med en lavere vekt enn i kjente veggorganer, hvor det korrosjonsresistente materiale er anordnet som et overflatebelegg på utsiden av det materiale som kreves for styrke. Denne vektreduksjon er fordelaktig i forbrenningsmotorer fordi mindre vekt betyr mindre energi forbrukt for å bevege veggorganet og mindre belastninger på maskinelementene som samvirker med veggorganet. Dertil kommer en materi-albesparende effekt. Samtidig er materialet med sitt høye innhold av krom ekstremt motstandsdyktig mot varmekorrosjon, slik at en jevnt fordelt erosjon av materialet tar betydelig lengre tid enn i veggorganer med overflatebelegg av de tidligere kjente krom- og nikkelinneholdende materialtyper.

For å unngå betydelig herding av det varmekorrosjonsresistente materiale når ventilen eller spindelen tas i bruk, er det viktig at det partikulære utgangsmateriale verken er smeltet eller eksponert for betydelig mekanisk deformasjon ved fremstillingen av veggorganet. HIP-prosessen forener det partikulære utgangsmateriale ved bl.a. diffusjonsbasert nedbrytning av grensene mellom partiklene, noe som opprettholder den meget tette dendrittiske struktur av partiklene med tett beliggende dendrittgrener. I tidligere kjente nikkelbaserte hard-sveiser med et krominnhold i området 40-52%, smeltes utgangsmaterialet i forbindelse med støpingen eller sveisingen, og påfølgende oppvarmning til temperaturer over 550°C utløser den iboende tendens i disse materialer til herding ved elding eller utskillingsherding til en høy hardhet. Hittil kan det i metallurgiske vendinger ikke gis noen tilfredsstillende forklaring på herdemekanismens undertrykking i det HIP-produserte materiale i veggorganet ifølge oppfinnelsen, men den har overraskende vist seg å foreligge.

Dersom krominnholdet i materialet blir mindre enn 38%, oppnås ikke den forønskede motstand mot varmekorrosjon. Ved overflaten av veggorganet reagerer krommet med oksy-gen for å danne et overflatelag av CrjO, som beskytter det tilstøtende materiale mot innflytelsen av de korrosive residuelle forbrenningsprodukter. Cr-innholdet kan med fordel være høyere enn 44,5%. Dersom krominnholdet overskrider 75%, blir nikkelinnholdet av materialet for lavt, og ved de høye temperaturer som benyttes for HlP-prosessen kan det dertil skje uønskede lokale omvandlinger til ren a-fase, dvs. en kromrik fase uten dendrittisk struktur, a-fasen er sprø, og økende andeler av denne fase i strukturen påvirker materialets duktilitet negativt. Fortrinnsvis er materialets innhold av Cr høyere enn* 49% for således å øke korrosjonsmotstanden. ;Materialet må ha et samlet innhold av kobolt og nikkel på i det minste 25% for å få den forønskede duktilitet for å motvirke sprekking. Dersom legeringen ikke inneholder Co, må således Ni-innholdet være minst 25%. Bortsett fra nevnte nedre grense for krominnholdet er det ingen struk-turelt betinget øvre grense for nikkelinnholdet. ;Dersom C-innholdet overskrider 0,15%, kan det utfelles uønskede karbidgrensesjikt på partikkeloverflåtene, og utskilling av hardhetsøkende karbider, så som NbC, WC eller TiC kan også skje. Avhengig av mengdene av andre bestanddeler i materialet, kan C også danne uønskede krom-karbider. For å oppnå høy sikkerhet mot utskilling av karbidforbindelser, er C-innholdet fortrinnsvis mindre enn 0,02%, men da C er en vanlig forurensning i mange me-taller, kan det av økonomiske grunner være fordelaktig å begrense C-innholdet til maksimalt 0,08%. ;Et silisiuminnhold på opptil 1,5% kan bidra til å forbedre korrosjonsmotstanden, idet Si danner silisiumoksider på overflaten av materialet som er meget stabile i det miljø som eksisterer i forbrenningskammeret av en idiesel-motor. Dersom Si-innholdet overskrider 1,5%, kan det ut-skilles uønskede mengder av hardhetsøkende silisiumfor-bindelser. Si kan også ha en løsningsstyrkende effekt på den nikkelrike y- fase i materialets basisstruktur. Av denne grunn kan det være ønskelig å begrense materialets Si-innhold til maksimalt 0,95%. ;I likhet med Si kan aluminium forbedre korrosjonsmotstanden ved å danne aluminiumoksid på veggorganets overflate. Videre kan Al, Si og/eller Mn tilføres ved fremstillingen av det partikulære utgangsmateriale, idet disse tre bestanddeler har en deoksiderende effekt. Da Mn ikke bidrar til de forønskede egenskaper hos veggorganet, er det ønskelig å begrense følgemengden av Mn i materialet til maksimalt 1,0%. ;Opp til 0,5% Y og/eller opp til 4,0% Ta kan tilføres for å stabilisere oksiddannelsen på overflaten av materialet, på samme måte som ved tilførsel av Al og Si. Større mengder yttrium og tantal gir ingen ytterligere forbed-ring av korrosjonsmotstanden. r ;Al kan danne en hardhetøkende intermetallisk forbindelse med nikkel (y'), og derfor kan materialet inneholde maksimalt 2,5% Al. Dersom legeringen også inneholder Ti i større mengder enn maksimalt 2,0%, må ikke det samlede innhold av Al og Ti i materialet overskride 4,0% fordi Ti også danner en del av de uønskede y' -utskillinger. For å dra nytte av den korrosjonsbeskyttende effekt av aluminium og samtidig oppnå egnet sikkerhet mot utskilling av Y', kan materialet med fordel inneholde mindre enn 1,0% Al, idet det samlede innhold av Al og Ti samtidig må være maksimalt 2,0%. Dersom legeringen inneholder Ti i en mengde nær den øvre grense for dette, kan Al-innholdet med fordel begrenses til maksimalt 0,15%. For ytterligere å undertrykke dannelsen av y', er innholdet av Al fortrinnsvis mindre enn 0,4%. ;Ti er en ofte forekommende bestanddel av legeringer som inneholder krom og nikkel, og derfor kan det være vanske-lig å fullstendig unngå et visst Ti-innhold i materialet. Fortrinnsvis er Ti-innholdet mindre enn 0,6% for å motvirke utskilling av hardhetsøkende titankarbider og -borider. Samvirkningen mellom Al og Ti gjør det ønskelig å begrense Ti-innholdet til mindre enn 0,09%, slik at Al kan tilføres i mengder som kan forbedre materialets motstand mot varmekorrosjon. ;Materialets innhold av Fe er fortrinnsvis begrenset til maksimalt 5%, idet korrosjonsmotstanden øker med høyere Fe-innhold. Det er også mulig å benytte et utgangsmateriale som inneholder kobolt, som ikke har noen negativ innflytelse på den egentlige korrosjonsmotstand. Kobolt kan delvis erstatte nikkel i materialet dersom dette er ønskelig av økonomiske grunner. I mengder på opptil 8,0% har Co ingen merkbar løsningsstyrkende effekt på Y-fasen-Også i tilfeller hvor en nikkelerstatning ikke er ønskelig, kan tilskudd av Co i mengder på opptil 8,0% være ønskelig fordi kobolt kan endre de relative mengder av a-faser og Y-faser i en retning som er fordelaktig med hensyn til materialets duktilitet ved at Co fremmer dannelse av Y-fasen. Dette kan være ønskelig spesielt dersom materialet inneholder mye Cr, f.eks. mer enn 60% Cr. ;Bor kan bidra-til at det partikulære utgangsmateriale med blandet fase a+y får en meget tett dendrittisk struktur med kort avstand mellom dendrittgrenene. Dersom B-innholdet overskrider 0,2%, kan mengden av bor-inneholdende eutektikum og bor-utskillinger bli stor nok til å gi en uønsket hardhetsøkende effekt. I mengder på opptil 0,15% kan Zr ha den samme gunstige effekt på materialets dend-rittstruktur som B og kan derfor benyttes som et alterna-tiv eller som et supplement til B-tilskuddet. Fortrinnsvis er B-innholdet mindre enn 0,09% for å begrense mengden av hardhetsøkende utskillinger. ;Det partikulære utgangsmateriale kan inneholde følgemeng-der av magnesium, men denne bestanddel synes ikke å med-føre noen fordeler i den foreliggende bruk, og derfor kan materialets Mg-innhold helst begrenses til maksimalt 1,0%. ;I en foretrukket utførelse er materialets innhold av de ;uunngåelige forurensninger N og 0 begrenset til maksimalt 0,04% N og/eller maksimalt 0,01% 0. Innholdet av 0 i utgangsmateriale t kan bevirke oksidbelegg på partiklene, og etter HIP-prosessen vil slike belegg foreligge som inne-slutninger i materialet og redusere dettes styrke. Mengden av N kan med fordel være begrenset til nevnte 0,04% for å motvirke dannelsen av hardhetsøkende nitrider eller karbonitrider. ;Niob kan tilsettes legeringen benyttet ved fremstillingen av det partikulære utgangsmateriale. Av økonomiske grunner er Nb-innholdet fortrinnsvis begrenset til maksimalt 0,95%, men dersom legeringen inneholder merkbare mengder av N og mengder av C nær den øvre grense på 0,15%, kan det være ønskelig å tilsette opptil 2,0% Nb for å nøytra-lisere tendensen som N og C har til å danne uønskede kar-bid- og nitridgrensesjikt på partikkelflåtene. Mengder av opptil 3,0% av det korrosjonsresistente materiale niob har overraskende vist seg å ha en positiv innflytelse på de strukturelle omvandlinger som skjer ved lengre bruk av veggorganet i det relevante temperaturområde. Således bidrar et Nb-innhold på mer enn 0,1% og fortrinnsvis fra 0,9 til 1,95% til at materialet bibeholder høy duktilitet etter lengre tids drift. ;W og Mo er uønskede bestanddeler i materialet, og dersom de forekommer, inneholder materialet fortrinnsvis mindre enn 1,4% W og mindre enn 0,9% Mo, og det samlede innhold av W og Mo er mindre enn 2%. Dette skyldes det faktum at både W og Mo har en løsningsstyrkende effekt på basis-st ruk tur en, oc+y- fasen, i materialet, noe som øker hardheten. For å unngå utskilling av intermetalliske forbin-delser basert på W og Mo, er det samlede innhold av W og Mo fortrinnsvis mindre enn 1,0%. ;Hf i mengder på 0,1-1,5% har en korngrensemodifiserende effekt som har en positiv effekt på materialets duktilitet ved brukstemperaturer for materialet i området 550-850°C. ;Det er velkjent at et overflatebelegg av rent krom på elementets overflate gir en ekstremt god korrosjonsmotstand, men også at et slikt belegg er meget sprøtt uten nevneverdig duktilitet. Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse er det mulig å blande partikler med et krominnhold på mer enn 75 vekt%, så som rene krompartikler, inn i utgangsmaterialet ved den flate som vender mot forbrenningskammeret. Således kan veggorganet forsynes med et overflatebelegg som har en ytterligere forbedret korrosjonsmotstand. Den derav følgende reduserte duktilitet i overflatesjiktet kan føre til sprekkdannelse i dette. Sprekkene vil eksponere det tilstøtende materiale, som har en høy duktilitet som beskrevet ovenfor, som forhindrer at sprekkene utvikler seg til dypere sprekker, og er varmekorrosjonsresistent slik at det begrenser den korrosive erosjon. Tilskudd av partikler med høyt krominnhold gjør det således mulig å tilveiebringe et veggorgan som har en optimal kombinasjon av korrosjonsmotstand og duktilitet. ;Under veggorganets levetid vil krominnholdet i krystall-kornene nær overflaten bli redusert i takt med avbren-ningen av kromoksidene på overflaten av organet. Tilskudd av partikler med høyt krominnhold motvirker denne tendens da det høye temperaturnivå på overflaten får krom fra de kromrike partikler til å diffundere inn i de nær-beliggende krystallkorn av sammensetningen angitt i krav 1. Dersom partikler med høyt krominnhold er inkludert lengre inn i materialet, vil slike partikler ikke føre til noen reduksjon av betydning av materialets duktilitet. Dette skyldes det faktum at temperaturnivået lengre inn i materialet er lavere, noe som begrenser tendensen krom har til å diffundere inn i de tilstøtende krystallkorn. Således kan det partikulære utgangsmateriale forsynes med en varierende sammensetning med fallende innhold av partikler med høyt krominnhold med økende avstand fra veggorganets overflate. ;For å oppnå høy duktilitet, har det korrosjonsresistente materiale fortrinnsvis en hardhet på mindre enn 300 HV etter oppvarmning til temperaturen nevnte i krav 1 i nevnte tidslengde, og enda mer fordelaktig er hardheten mindre enn 285 HV målt ved omtrent 20°C. ;I én utførelse er det mulig å ha en tykkelse på det korrosjonsresistente materiale som er større enn 8 mm i en retning i rett vinkel med veggorganets overflate. Dette medfører et større forbruk av det relativt dyre utgangsmateriale, men samtidig forlenges veggorganets levetid betydelig proporsjonalt med tykkelsen av materialet fordi materialet ikke har noen tendens til sprekking, men tvert imot eroderes relativt jevnt. Dersom tykkelsen av det varmekorrosjonsresistente materiale økes ytterlige til f.eks. å være større enn 15 mm, oppnås den ytterligere effekt at materialet blir den reelle strukturelle del av veggorganet istedenfor kun å være et korrosjonsbeskyttende belegg. ;Eksempler på oppfinnelsen skal nå forklares i ytterligere detalj under henvisning til den meget skjematiske teg-ning, hvor ;fig. 1 er et sentralt lengdesnitt av et ventilhode med den nedre del av en ventilstamme utformet i henhold til oppfinnelsen, og ;fig. 2 er et sentralt lengdesnitt gjennom et stempel utformet i henhold til oppfinnelsen. Fig. 1 viser et veggorgan i form av en ventilspindel 1 for en eksosventil i en totakts krysshodemotor. Ventilspindelen omfatter et ventilhode 2 og en ventilstamme 3, hvorav kun den nedre del er vist. Et ventilsete 4 på den øvre flate av ventilhodet er fremstilt av en varmekorro-sjonsbeståndig legering som har en hardhet som motvirker dannelsen av innhakkmerker på setets tetningsflate. Den nedre flate av ventilhodet har et lag av varmekorrosjonsresistent materiale 5 som motvirker avbrenning av materialet fra den nedadvendende flate 6 av hodet. Som beskrevet ovenfor, er materialet 5 laget i henhold til oppfinnelsen og har den fordelaktige kombinasjon av høy duktilitet og høy motstand mot varmekorrosjon. Fig. 2 viser et veggorgan i form av et stempel 7 montert på toppen av en stempelstang 8, hvorav kun den øvre del er vist. Stempelet har et sentralt hulrom 9 og mange vertikale boringer 10 jevnt fordelt langs stempelperife-rien i stempelets skjørt 11 som omslutter hulrommet 9. Gjennom mindre boringer 12 er hulrommet 9 forbundet med de vertikale boringer 10, slik at kjølende olje fra et sentralt rør 13 i stempelstangen kan strømme inn i hulrommet og videre gjennom boringene 12 inn i de vertikale boringer 10, hvorfra oljen returnerer gjennom stempelstangen. Strømningsbanen for kjøleoljen er angitt med piler. Oljen kjøler den nedre flate av stempeltoppen 16, men likevel vil det opptre temperaturforskjeller i den ;øvre flate av stempeltoppen, med resulterende varmespenninger i dennes materiale. ;Stempelet kan naturligvis også ha andre utførelser, f.eks. kan et stort antall sprayrør være innsatt i en stempelbunn for å sprøyte kjøleolje opp mot den nedre flate av stempeltoppen, eller det sentrale hulrom kan ha en større diameter slik at kjølingen av stempeltoppen hovedsakelig utføres ved hjelp av plask-kjøling. ;Ved sin øvre flate har stempeltoppen et lag av varmekorrosjonsresistent materiale 14 som motvirker avbrenning av materiale fra den oppadvendende flate 15 av stempelet. Som beskrevet ovenfor, er materialet 14 utført i henhold til oppfinnelsen og har den fordelaktige kombinasjon av høy duktilitet og høy motstand mot varmekorrosjon. ;Når motoren løper, resiproserer stempelet i en sylinder-f6ring, ikke vist, og ved egnede tidspunkter av motorsyk-lusen blir eksosventilen åpnet og lukket ved at ventilspindelen beveges bort fra og tilbake mot en stasjonær ventilsetedel, som heller ikke er vist, som har et ventilsete med en ringformet nedadvendende tetningsflate, som i ventilens lukkede stilling ligger an mot det oppadvendende ventilsete 4 på spindelen. ;De bevegelige veggorganer 1, 7 danner sammen med sylin-derf6ringen og et sylindérdeksel, ikke vist, forbrenningskammeret av motoren og er således utsatt for det varme og aggressive miljø som opptrer ved forbrenningsprosessen. ;Dersom motoren er en totakts krysshodemotor, kan diameteren av stempelet f.eks. være i området fra 250 til 1000 mm, og diameteren av ventilspindelens hode kan f.eks. væ-re i området fra 100 til 600 mm. Det vil ses av dette at overflatene av de bevegelige veggorganer som vender mot forbrenningskammeret har store flater som gir opphav til store varmespenninger i materialene 5, 14. ;De fordelaktige egenskaper ved de bevegelige veggorganer 1 og 7 kan også utnyttes i mindre motorer, f.eks. fire-takts motorer som går med midlere eller høy hastighet, men de er spesielt anvendbare i nevnte store motorer hvor belastningene er store. ;Det følger nå en beskrivelse av hvorledes materialet 5, 14 fremstilles på de respektive bevegelige veggorganer 1, 7. Et basislegeme av et egnet materiale, så som stål, austenittisk stål eller en Nimonic-legering angitt i ovennevnte britiske artikkel, fremstilles på vanlig måte til den forønskede form.uten det varmekorrosjonsresistente materiale 5, 14. Deretter blir materialet 5, 14 på-ført basislegemet ved hjelp av en velkjent HIP-prosess (HIP er en forkortelse., for Hot Isostatic Pressure) . Denne prosess benytter partikulært utgangsmateriale, som f.eks. kan være fremstilt ved atomisering av en væske-stråle av en smeltet nikkel- og krominneholdende legering i et kammer med en inaktiv atmosfære, hvorved det dråpe-formede materiale bråkjøles og størkner som partikler med den meget tette dendrittiske struktur a+ y. Det partikulære materiale kan også kalles et pulver. ;Det partikulære utgangsmateriale plasseres i en form i en mengde som er tilpasset den forønskede tykkelse av materialet 5, 14. Som nevnt kan samtidig partikler med høyt krominnhold blandes inn i området nær bunnen av formen. Deretter plasseres basislegemet på toppen av det partikulære materiale, formen lukkes og et vakuum utøves for å trekke ut uønskede gasser. Deretter startes HIP-prosessen hvor det partikulære materiale oppvarmes til en temperatur i området fra 950 til 1200°C, og et høyt trykk på f.eks. 900 til 1200 bar utøves. Ved disse betingelser blir utgangspulveret plastisk og forenes til et koherent, tett materiale hovedsakelig uten å smelte. Deretter fjernes veggorganet og maskineres om nødvendig til de forønskede dimensjoner. ;For ventilspindlene 1 er det mulig å benytte et ventilhode 2 uten en stamme 3 som basislegeme, idet stammen mon-teres på ventilhodet etter fullført HIP-prosess. Denne montering kan f.eks. utføres ved hjelp av friksjons-sveising. Fordelen ved dette er at basislegemet er let-tere å håndtere i HIP-prosessen når stammen ettermon-teres. Videre er det mulig å fremstille hele ventilhodet, eller om ønskelig hele ventilspindelen, av det partikulære materiale ved hjelp av HIP-prosessen, idet for-skjellige partikkelsammensetninger benyttes i de for-skjellige områder av legemet tilpasset de forønskede ma-terial egenskaper i angjeldende områder og basert på økonomiske hensyn. ;Nedenfor skal det nå gis eksempler for å illustrere de mekaniske egenskaper av det varmekorrosjonsresistente materiale. ;Eksempel 1 ;Basert på et partikulært utgangsmateriale med analysen 46% Cr, 0,4% Ti, 0,05% C og resten Ni, ble et stangformet legeme med en diameter på 30 mm og en lengde på omtrent 1000 mm fremstilt ved hjelp av HIP-prosessen. Etter plassering i formen ble utgangsmaterialet oppvarmet til en temperatur på 1150°C og trykksatt til omtrent 1000 bar, og etter en oppholdstid på omtrent 2,5 timer ved disse betingelser ble legemet returnert til romtemperatur og normalt trykk. Fra det stangformede legeme ble det skåret' prøveskiver med omtrent 8 mm tykkelse. Den gjennomsnittlige hardhet av skivene ble målt til 269 HV20 ved romtemperatur. Skivene ble så varmebehandlet ved en temperatur på 700°C i 672 timer. Etter varmebehandlingen ble den gjennomsnittlige hardhet av skivene ved' romtemperatur målt til 285 HV20. Det kunne således fastslås at varmebehandlingen kun gav opphav til en meget begrenset økning i hardheten. ;Eksempel 2 ;Basert på et partikulært utgangsmateriale med analysen 49,14% Cr, 1,25% Nb, 0,005% C og resten Ni, ble et stangformet legeme fremstilt på samme måte som i Eksempel 1, og skiveprøver ble skåret med en gjennomsnittlig hardhet som ble målt til 292 HV20. Skivene ble så varmebehandlet ved en temperatur på 700<*>^ i 672 timer, hvorpå deres gjennomsnittlige hardhet ble målt til 260 HV20. Det kunne således fastslås at varmebehandlingen gav opphav til en reduksjon i hardheten.

Eksempel 3

På samme måte som i Eksempel 1, ble tre stangformede legemer fremstilt, hvorav det første hadde analysen 46% Cr, 0,4% Ti, 0,05% C og resten Ni, den andre hadde analysen 49,14% Cr, 1,25% Nb, 0,005% C og resten Ni, og den tredje hadde analysen 54,78% Cr, 1,26% Nb, 0,005% C, 0,1% Fe og resten Ni. Fra hvert av disse tre legemer ble 120 mm lange stykker skåret og maskinert på vanlig måte til strekkprøvestykker. Prøvediameteren av prøvestykkene med 46% Cr var 3 mm, mens prøvediameteren av prøvestykkene av de to andre legeringer var 5 mm. Den gjennomsnittlige hardhet av prøvestykkene ble målt, hvoretter et parti av prøvestykker ble varmebehandlet i 48 timer ved 700°C, et andre parti av prøvestykker ble varmebehandlet i 336 timer ved 700°C, og et tredje parti av prøvestykker ble varmebehandlet i 672 timer ved 700°C. Av de to sistnevn-te legeringer ble et fjerde parti prøvestykker fremstilt med en prøvediameter på 6 mm. Det fjerde parti av prøve-stykker ble varmebehandlet i 4392 timer ved 700°C. Etter varmebehandlingen ble den gjennomsnittlige hardhet ved romtemperatur av prøvestykkene målt, og strekkprøver og slagprøver ble utført ved romtemperatur for å prøve materialenes mekaniske egenskaper. Hardnetsmålingene ble ut-ført i henhold til Vickers-metoden (HV20), og slagstyrken ble målt i henhold til Charpy's U-skårprøve hvor det minste lastbærende areal av prøvestykket ble fastslått til 0,5 cm<1>. Prøveresultatene er gjengitt i nedenstående tabeller 1 og 2. Det skal påpekes at måleresultatene merket med en stjerne angir prøvestykker som gikk for tidlig i stykker på grunn av en maskineringsfeil.

Prøveresultatene viser at det HIP-fremstilte varmekorrosjonsresistente materiale ikke får sin duktilitet redusert ved langvarig varmebelastning ved et temperaturnivå representativt for driftstemperaturene for bevegelige veggorganer i forbrenningskammeret av en stor totakts mo-tor.

Det fremgår også at materialets øvrige mekaniske egenskaper, er utmerkede. Materialets strekkstyrke før varmebehandlingen er betydelig høyere enn vanlig for nikkellegeringer med et høyt krominnhold.' Det vil ses at varmebehandlingen gir en begrenset reduksjon i strekkstyrke ned til et nivå som fortsatt er fordelaktig høyt. De varme-behandlede prøvestykker oppviser generelt sett en for-lengelse ved brudd på mer enn 20%. Ved varmebehandlingen oppnås også en økning i bruddforlengelsen og i arealreduksjonen, noe som betyr at materialet får høyere duktilitet. Det vil også ses at de niobinneholdende materialer som er varmebehandlet så vidt under 4400 timer får en bruddforlengelse på omtrent 30%, idet arealreduksjonen er omtrent 50% etter langvarig varmepåvirkning. Ved varmebehandling fra 672 til 4392 timer viser det seg at bruddforlengelsen er øket med opptil 50%. Disse resultater viser at de korrosjonsresistente materialer ifølge oppfinnelsen er ekte konstruksjonsmaterialer med svært gode styrkeegenskaper, også etter langvarig varmepåvirkning.

Materialene synes også å ha ekstremt høy slagstyrke. Sammenlignet med slagstyrken av HIP-fremstilte materialer økes slagstyrken betydelig av varmebehandlingen som et-terligner materialenes driftsbetingelser. Bortsett fra ubetydelige reduksjoner i flytegrense og strekkstyrke, oppnår således de korrosjonsresistente materialer bedre styrkeegenskaper i drift ved temperaturer i området mellom 550°C og 850°C.

De ekstremt gode mekaniske egenskaper av materialet gjør det egnet som et egentlig konstruksjonsmateriale, som samtidig har de i og for seg kjente utmerkede korrosjonsresistente egenskaper.

Som ytterligere eksempler på korrosjonsresistente materialer ifølge oppfinnelsen kan nevnes materialet med føl-gende sammensetning: 60% Cr, maksimalt 0,02% C, maksimalt 0,2% Si, maksimalt 0,5% Mn, maksimalt 0,5% Mo, maksimalt 0,2% Cu, maksimalt 0,005% B, maksimalt 0,002% Al, maksimalt 0,02% Ti, maksimalt 0,02% Zr, 1,25% Nb, maksimalt

0,5% Co, maksimalt 0,5% Fe, maksimalt 0,05% N, maksimalt 0,02% 0 og resten Ni, og materialet med følgende sammensetning: 45% Cr, maksimalt 0,02% C, 1,5% Si, maksimalt 0,5% Mn, maksimalt 0,5% Mo, maksimalt 0,2% Cu, maksimalt 0,005% B, maksimalt 0,002% Al, maksimalt 0,02% Ti, maksimalt 0,02% Zr, 1,25% Nb, maksimalt 0,5% Co, maksimalt 0,5% Fe, maksimalt 0,05% N, maksimalt 0,02% 0 og resten Ni.

I ovenstående beskrivelse er alle prosentandeler av lege-ringens bestanddeler uttrykt i vekt%.

Claims (13)

1. Bevegelig veggorgan i form av en eksosventilspindel (1) eller et stempel (7) i en forbrenningsmotor, spesielt en totakts krysshodemotor, hvor den side av veggorganet som vender mot et forbrenningskammer er forsynt med et varmekorrosjonsresistent materiale (5,14) laget av et partikulært utgangsmateriale av en nikkel- og krominneholdende legering som ved hjelp av en HIP-prosess er blitt forenet til et koherent materiale hovedsakelig uten smelting av utgangsmaterialet, karakterisert ved at uttrykt i vekt% og bortsett fra vanlige forurensninger og uunngåelige re-si duell e mengder av deoksiderende bestanddeler, omfatter det korrosjonsresistente materiale (5,14) fra 38 til 75% Cr og valgfritt fra 0 til 0,15% C, fra 0 til 1,5% Si, fra 0 til 1,0% Mn, fra 0 til 0,2% B, fra 0 til 5,0% Fe, fra 0 til 1,0% Mg, fra 0 til 2,5% Al, fra 0 til 2,0% Ti, fra 0 til 8,0% Co, fra 0 til 3,0% Nb, så vel som valgfrie bestanddeler av Ta, Zr, Hf, W og Mo, og resten Ni, hvor det samlede innhold av Al og Ti er maksimalt 4,0% og det samlede innhold av Fe og Co er maksimalt 8,0%, og hvor det samlede innhold av Ni og Co er i det minste 25%, og at det korrosjonsresistente materiale har en hardhet på mindre enn 310 HV målt ved omtrent 20°C etter at materialet er blitt oppvarmet til en temperatur i området 550-850°C 1 mer enn 400 timer.

2. Bevegelig veggorgan ifølge krav 1, karakterisert ved at materialets (5,14) innhold av C er mindre enn 0,08%, fortrinnsvis mindre enn 0,02%.

3. Bevegelig veggorgan ifølge krav 1, karakterisert ved at materialets (5,14) innhold av Al er mindre enn 1,0% og samtidig at det samlede innhold av Al og Ti er maksimalt 2,0%, at innholdet av Al fortrinnsvis er mindre enn 0,4%, fortrinnsvis mindre enn 0,15%, og at innholdet av Ti samtidig er mindre enn 0,6%, fortrinnsvis mindre enn 0,09%.

4. Bevegelig veggorgan ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at materialets (5,14) innhold av Cr er høyere enn 44,5%, fortrinnsvis høyere enn 49%.

5. Bevegelig veggorgan ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at materialets (5,14) innhold av N er maksimalt 0,04%, og at innholdet av 0 fortrinnsvis er maksimalt 0,01%.

6. Bevegelig veggorgan ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at materialet videre inneholder opptil 0,5% Y og/eller opptil 0,4% Ta.

7. Bevegelig veggorgan ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at materialets (5,14) innhold av Nb er maksimalt 2% og fortrinnsvis i interval-let fra 0,1% til 1,95%, helst minst 0,9%.

8. Bevegelig veggorgan ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at materialet videre inneholder opptil 0,15% Zr, og at materialets innhold av B helst er mindre enn 0,09%.

9. Bevegelig veggorgan ifølge et av kravene 1-8, karakterisert ved at materialet (5,14) videre inneholder fra 0,1 til 1,5% Hf.

10. Bevegelig veggorgan ifølge et av kravene 1-9, karakterisert ved at materialet (5,14) videre inneholder mindre enn 1,4% W og mindre enn 0,9% Mo, og at det samlede innhold av W og Mo er mindre enn 2%, fortrinnsvis mindre enn 1,0%.

11. Bevegelig veggorgan ifølge et av kravene 1-10, karakterisert ved at partikler med et krominnhold på mer enn 75 vékt% er blandet inn i utgangsmaterialet i det minste ved overflaten (6,15) som vender mot forbrenningskammeret.

12. Bevegelig veggorgan ifølge et av kravene 1-11, karakterisert ved at det korrosjonsresistente materiale (5,14), etter oppvarming til nevnte temperatur i nevnte tidsintervall, har en hardhet på mindre enn 300 HV, fortrinnsvis mindre enn 285 HV målt ved omtrent 20°

13. Bevegelig veggorgan ifølge et av kravene 1-12, karakterisert ved at tykkelsen av det korrosjonsresistente materiale (5,14) er større enn 8 mm, helst større enn 15 mm, i retning perpendikulært på overflaten (6,15) av veggorganet.