WO2014006076A1 - Hochwärmeleitender ventilsitzring - Google Patents

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WO2014006076A1
WO2014006076A1 PCT/EP2013/064000 EP2013064000W WO2014006076A1 WO 2014006076 A1 WO2014006076 A1 WO 2014006076A1 EP 2013064000 W EP2013064000 W EP 2013064000W WO 2014006076 A1 WO2014006076 A1 WO 2014006076A1
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valve seat
powder
copper
seat ring
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PCT/EP2013/064000
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Ekkehard KÖHLER
Dirk EMDE
Anna SEYFARTH
Thomas LELGERMANN
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Bleistahl-Produktions Gmbh & Co. Kg
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    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties

Definitions

  • the invention relates to a valve seat ring, which is produced by powder metallurgy and has a carrier material and a functional material.
  • Valve seat rings of the type mentioned are known for example from Japanese Patent Application JP 6145720 A. This document describes a copper-infiltrated multilayer valve seat ring with Co and Mo contents for internal combustion engines.
  • valve seat rings In principle, the previously known valve seat rings have the advantage that they have excellent strength. This can be explained in particular with the use of two different material layers.
  • the carrier material has excellent strength values.
  • the prior art valve seat rings of the type mentioned have the disadvantage that they are no longer meet the increasing demands of internal combustion engines due to the poor thermal conductivity.
  • the thermal conductivity of conventional carrier materials is usually below 45 W / m * K. It is an object of the invention to provide a valve seat ring of the aforementioned type, which has a significantly higher thermal conductivity. Incidentally, the valve seat ring should meet the usual requirements for tightness, dimensional stability and strength.
  • the invention proposes, starting from a valve seat ring of the type mentioned above, that the carrier material of the carrier layer (2) has a thermal conductivity greater than 55 W / m * K at a total copper content> 25 to 40 wt .-%.
  • the total copper content of the valve seat rings according to the invention is preferably composed of an iron-copper alloy, added copper powder and infiltrated copper.
  • valve seat ring is characterized by its high thermal conductivity combined with high strength for use in modern internal combustion engines. This results in the following advantages:
  • valve seat ring provides that the carrier material has a thermal conductivity greater than 65 W / m * K.
  • This variant is particularly suitable for use in turbocharged engines.
  • the combustion temperature is higher than the diesel engine.
  • the ignition temperature is about 200 to 300 ° C higher as the gasoline engine. In any case, there is a need to dissipate the high temperature quickly to prevent damage to the engine block.
  • a particularly preferred embodiment of the valve seat ring provides that the carrier material has a thermal conductivity greater than 70 W / m * K. This embodiment is particularly needed in high-performance engines, such as sports cars or motorsport, when the engines are fully exploited in terms of performance. An increased thermal conductivity then increases the life of the engine.
  • the carrier material comprises an iron-copper alloy. In this combination, the high strength of iron and the good thermal conductivity of copper leads to particularly positive properties of the carrier material in the application.
  • the valve seat ring produced by powder metallurgy has particularly good properties when the copper content of the iron-copper alloy is above 5% by weight, in particular at 10% by weight.
  • the advantages of iron and copper are used particularly well.
  • the maximum solubility for copper in austenite at 1094 ° C is 8.5% by weight.
  • the copper can be both alloyed and diffusion bonded integrated into the iron-copper alloy. With diffusion-bonded copper, proportions of well over 8.5% by weight can be achieved.
  • an iron-copper alloy is also understood as meaning iron with diffusion-bonded copper.
  • valve seat ring provides that the carrier material is a mixture of the iron-copper alloy and copper powder.
  • the copper adheres the iron bodies and forms a cohesive matrix. Due to the increased copper content, the heat can be passed through the material particularly well. This ensures the longevity of the machine elements involved in the area of the valve seat ring.
  • a particularly good combination of thermal conductivity and strength can be achieved if the proportion of copper powder between 8 and 12, especially at 10% by weight.
  • the matrix formed by copper in this case offers a particularly good thermal conductivity, without the supporting function of the iron is significantly impaired. Due to the ever increasing performance and associated operating temperatures of engines, an increase in the thermal conductivity of valve seat rings is associated with a beneficial extension of their service life.
  • a particularly preferred variant of a valve seat ring according to the invention provides that the carrier material and / or the functional material additionally contain copper, which is supplied by infiltration.
  • the infiltration serves to fill in the pores of the green body. This happens during the sintering process.
  • the liquid copper is drawn into the pores via capillary action. While pores in sintered products usually have a heat-insulating effect, the thermal conductivity is significantly increased compared to the base material, in this case carrier and functional material. This means optimal use of the workpiece volume to optimize the thermal conductivity.
  • Powder metallurgically produced valve seat inserts with infiltrated copper contents of about 20% by weight are known per se.
  • the thermal conductivity of the valve seat ring is particularly positive when the copper content of the carrier material> 25 wt .-%, in particular between 25 to 40 wt .-%, wherein the strength properties of the iron are not lost.
  • Iron generally has a higher strength than copper, but copper has a higher thermal conductivity.
  • alloy composition for the carrier material both advantages of these metals can be combined without their disadvantages.
  • Such high copper contents of the carrier material are achieved if, in addition to the copper infiltration for the carrier material, an iron-copper alloy powder is used, to which copper powder is admixed.
  • the total copper content of the valve seat rings according to the invention is preferably> 28 to 40 wt .-%.
  • a particularly advantageous composition of the carrier material shows the following table:
  • the alloy composition of the functional material consists of preferred embodiment: 0.5 to 1, 2 wt .-% C
  • An alternative embodiment of the functional layer is composed of the following functional material:
  • the choice of materials for the functional layer depends on the requirements of the valve seat ring. If the required properties are fulfilled by the functional material, the more cost-effective variant must be chosen.
  • the invention relates to a method for powder metallurgical production of a valve seat ring, comprising a carrier layer of a carrier material and a functional layer of a functional material with the following steps: - producing a carrier layer with a carrier material of an iron-copper alloy powder,
  • the functional and carrier layer have different properties. While the functional layer of the valve seat ring is designed in particular with regard to the thermal stress, the carrier layer has the necessary strength and improved thermal conductivity.
  • the carrier material consists of an iron-copper alloy powder.
  • the carrier layer is composed of an iron-copper alloy powder. The iron provides the strength and the copper improves the thermal conductivity of the carrier layer.
  • the powder of the carrier layer is pressed into a semifinished product.
  • the surface inclination to the inner edge of the valve seat ring semifinished product can be adapted to the requirements.
  • the angle of inclination to the horizontal plane is taught by the invention between 20 ° and 40 °.
  • This semi-finished product is covered with a powdered functional material and then pressed into a green compact. This green body comes into contact with copper during the sintering process. Due to the pores of the pressed green body, the liquid copper penetrates into the workpiece by means of capillary action. By this form of copper enrichment of the workpiece, the thermal conductivity is significantly increased, while the supporting function of the carrier and functional layers is maintained.
  • a preferred embodiment of the method is that the iron-copper alloy powder of the carrier layer is combined with a copper powder, wherein the proportion of copper powder in the total alloy is over 15 wt .-%. It has surprisingly been found that in this approach, the load-bearing properties of the iron are not lost, the thermal conductivity increases steadily through the copper. The copper powder bonds the iron-copper particles together, the latter having no unacceptable influence on the strength of the material due to the relatively low level of up to 15% by weight.
  • a particularly preferred embodiment of the method provides that the iron-copper alloy powder is combined with graphite, wherein the proportion of graphite to the total alloy is between 0.5 and 1, 5 wt .-%.
  • the lubricating effect of the graphite prevents seizing of the surface of the carrier layer and thus increases the life of the valve seat ring.
  • a useful embodiment of the method is that the support layer is compressed by means of a compression pressure of 450 to 700 MPa to a density of 6.5 to 7.5 g / cm 3 to form a semifinished product.
  • the pressing pressure according to the teaching of the invention is reduced compared to the conventional pressing pressures, whereby the density of the green compacts also decreases. The lower density results in more pores filled by copper infiltration. This leads to a higher copper intake by infiltration than hitherto usual.
  • Special and complex properties of the valve seat ring can be adjusted by the process by the green compact layered and compacted. This has two main advantages. On the one hand, a low-cost material is used at low-stress positions of the valve seat ring. On the other hand, the properties can be adjusted by alloy composition and layer thickness at different locations according to the respective requirements.
  • the sintering process takes place at a temperature greater than the melting temperature of copper. This allows copper infiltration, whereby the molten copper penetrates through the open pores into the workpiece during the sintering process by means of capillary action.
  • the copper can be fed to the green body for infiltration as a ring.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a valve seat ring 1 is shown.
  • the carrier layer 2 forms the volumetric majority of the valve seat ring 1.
  • the functional layer 3 is located in the upper region of the valve seat ring 1 and essentially forms the bearing surface for valves. Clearly visible is the inclination between the carrier layer 2 and functional layer 3, which runs as parallel as possible to the support surface for the valves along the valve seat ring.
  • a diffusion layer 4 forms.
  • the diffusion layer 4 is formed in particular during sintering of the previously only pressed green body.
  • FIG. 2 shows the microstructure of a conventional carrier layer 2 according to the prior art.
  • Figure 3 shows a microstructure of the support layer 2 of a valve seat ring 1 in the context of the invention.
  • the microstructure of the carrier layer 2 in Figure 3 has a significantly higher copper content.
  • the copper content can be seen in Figures 2 and 3 by the bright surfaces.
  • the dark areas show the proportion of iron or iron-copper content.
  • FIGS. 4 and 5 show diagrams with regard to the thermal conductivity of the valve seat rings 1 and the carrier layer 2.
  • SdT state of the art
  • LdE new production method
  • FIG. 4 shows a diagram of the thermal conductivity of finished valve seat rings 1.
  • Variation 1 has a different composition of the functional layer 3 compared to variant 2.
  • the functional layer 3 is assumed to be known in the prior art.
  • the composition of the carrier layer differs according to the prior art and teaching of the invention.
  • the thermal conductivity of variants 1 and 2 according to the teaching of the invention to a great extent on the thermal conductivity of variants 1 and 2 according to the prior art.
  • FIG. 5 shows a diagram of the thermal conductivity of carrier layers 2 for two different variants of functional layers 3 of valve seat rings 1. It can be seen that the thermal conductivity of the conventional carrier layer 2 according to the prior art decreases from 48 W / m * K with increasing temperature. In contrast, the thermal conductivity of the carrier layer 2 averaged for both variants according to teaching of the invention averaged over 70 W / m * K. At a temperature of 500 ° C, the thermal conductivity of variants 1 & 2 according to the teaching of the invention (about 70 W / m * K) 46% by weight over the thermal conductivity of variants 1 & 2 according to the prior art (about 38 W / m * K).
  • the carrier layer is pressed from a carrier material at 550 MPa to a semi-finished product.
  • the carrier material consists of a combination of copper powder and iron-copper alloy powder.
  • the carrier layer has the shape of a ring having an inwardly sharply sloping tendency.
  • this semi-finished product is covered with a functional material in powder form and pressed into a green compact, whereby the functional layer is formed.
  • This green compact is sintered at 1100 ° C., with copper being added in wire form. This copper melts and is pulled over the capillary action in the green process in the sintering process.
  • the finished valve seat ring has in the carrier layer an alloy composition of 1, 2 wt% C, 0.3 wt% Mn, 0.2 wt% S and 35 wt% Cu and in the functional layer an alloy composition of 1, 1 wt % C, 9.7% by weight of Co, 1.4% by weight of Mo, 2.5% by weight of Ni, 3.0% by weight of Cr, 0.5% by weight of Mn, 0.5% by weight S and 19.0% by weight of Cu, wherein the copper components of the iron-copper alloy, the copper powder and the copper infiltration are summarized.
  • the manufactured valve seat ring has a high strength, at the same time good thermal conductivity and lubricity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen pulvermetallurgisch hergestellten Ventilsitzring mit einer Trägerschicht und einer Funktionsschicht. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ventilsitzring der vorgenannten Art zu schaffen, der eine bedeutend höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einem Ventilsitzring der eingangs genannten Art vor, dass der Trägerwerkstoff der Trägerschicht eine Wärmeleitfähigkeit größer 55 W / m*K bei einem Gesamtkupfergehalt von >25 bis 40 Gew.-% hat.

Description

Hochwärmeleitender Ventilsitzrina Die Erfindung betrifft einen Ventilsitzring, der pulvermetallurgisch hergestellt wird und einen Trägerwerkstoff sowie einen Funktionswerkstoff aufweist.
Ventilsitzringe der genannten Art sind beispielsweise aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 6145720 A bekannt. Diese Schrift beschreibt einen Kupfer-infiltrierten mehrschichtigen Ventilsitzring mit Co- und Mo-Anteilen für Verbrennungsmotoren.
Prinzipiell haben die vorbekannten Ventilsitzringe den Vorteil, dass sie eine ausgezeichnete Festigkeit aufweisen. Dies ist insbesondere mit der Verwendung von zwei unterschiedlichen Werkstoffschichten zu erklären. Dabei hat der Trägerwerkstoff hervorragende Festigkeitswerte. Die vorbekannten Ventilsitzringe der genannten Art haben jedoch den Nachteil, dass sie den steigenden Ansprüchen von Verbrennungsmotoren aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit nicht mehr gerecht werden. Die Wärmeleitfähigkeit konventioneller Trägerwerkstoffe liegt üblicherweise unter 45 W/m*K. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ventilsitzring der vorgenannten Art zu schaffen, der eine bedeutend höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Im Übrigen soll der Ventilsitzring üblichen Anforderungen an Dichtigkeit, Maßhaltigkeit und Festigkeit gerecht werden. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einem Ventilsitzring der eingangs genannten Art vor, dass der Trägerwerkstoff der Trägerschicht (2) eine Wärmeleitfähigkeit größer 55 W / m*K bei einem Gesamtkupfergehalt >25 bis 40 Gew.-% hat. Der Gesamtkupfergehalt der erfindungsgemäßen Ventilsitzringe setzt sich vorzugsweise aus einer Eisen- Kupfer-Legierung, zugesetztem Kupferpulver und infiltriertem Kupfer zusammen.
Im Folgenden sind alle Prozentangaben Gew.-%.
Der Ventilsitzring gemäß der Erfindung zeichnet sich durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit einer hohen Festigkeit für den Einsatz in modernen Verbrennungsmotoren aus. Daraus ergeben sich folgende Vorteile:
- schnellerer Wärmetransport im Zylinderkopf,
- Absenkung der Ventiltemperatur,
- Verringerung der Klopfneigung im Verbrennungsmotor durch abgesenkte Ventiltemperaturen,
- gleichmäßigere Temperaturverteilung im Ventilsitzring,
- verringerte Deformation der Ventilsitzringe aufgrund von inhomogenen Temperaturverteilungen,
- verringerte Undichtigkeiten im Brennraum durch geringere Deformation der Ventilsitzringe.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Ventilsitzringes sieht vor, dass der Trägerwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit größer 65 W/m*K hat. Diese Variante eignet sich besonders für den Einsatz in Motoren mit Turboaufladung. Bei einem Ottomotor ist die Verbrennungstemperatur höher als beim Dieselmotor. Bei einem Dieselmotor hingegen liegt die Zündtemperatur etwa 200 bis 300 °C höher als beim Ottomotor. Es besteht in jedem Fall die Notwendigkeit die hohe Temperatur schnell abzuführen, um eine Schädigung des Motorblocks zu verhindern.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Ventilsitzringes sieht vor, dass der Trägerwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit größer 70 W / m*K hat. Diese Ausführungsform wird besonders in Hochleistungsmotoren, etwa in Sportwagen oder im Motorsport benötigt, wenn die Motoren leistungsmäßig vollkommen ausgereizt werden. Eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit erhöht dann die Lebensdauer des Motors. Vorzugsweise weist der Trägerwerkstoff eine Eisen-Kupfer-Legierung auf. In dieser Kombination führt die hohe Festigkeit von Eisen und die gute Wärmeleitfähigkeit von Kupfer zu besonders positiven Eigenschaften des Trägerwerkstoffs in der Anwendung.
Der pulvermetallurgisch hergestellte Ventilsitzring weist besonders gute Eigenschaften auf, wenn der Kupfer-Anteil der Eisen-Kupfer-Legierung über 5 Gew.-%, insbesondere bei 10 Gew.-%, liegt. Bei dieser Legierungskonstellation werden die Vorteile von Eisen und Kupfer besonders gut genutzt. Die maximale Löslichkeit für Kupfer im Austenit beträgt bei 1094°C 8,5 Gew.-%. Allerdings kann das Kupfer sowohl zulegiert als auch diffusionsgebunden in die Eisen- Kupfer-Legierung integriert sein. Bei diffusionsgebundenem Kupfer sind Anteile von deutlich über 8,5 Gew.-% erreichbar. Erfindungsgemäß wird unter einer Eisen-Kupfer-Legierung auch Eisen mit diffusionsgebundenem Kupfer verstanden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Ventilsitzringes sieht vor, dass der Trägerwerkstoff eine Mischung aus der Eisen-Kupfer-Legierung und Kupfer- Pulver ist. Hierbei verklebt das Kupfer die Eisenkörper und bildet eine zusammenhaltende Matrix. Durch den erhöhten Kupfer-Anteil kann die Wärme besonders gut durch den Werkstoff geleitet werden. Dies gewährleistet die Langlebigkeit der beteiligten Maschinenelemente im Bereich des Ventilsitzringes. Eine besonders gute Kombination aus Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit lässt sich erzielen, wenn der Anteil des Kupfer-Pulvers zwischen 8 und 12, insbesondere bei 10 Gew.-%, liegt. Die vom Kupfer gebildete Matrix bietet hierbei eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit, ohne dass die tragende Funktion des Eisens nennenswert beeinträchtigt wird. Durch die immer weiter steigende Leistung und damit verbundenen Betriebstemperaturen von Motoren, ist eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit von Ventilsitzringen mit einer vorteilhaften Verlängerung ihrer Lebensdauer in Verbindung zu setzen.
Eine besonders bevorzugte Variante eines erfindungsgemäßen Ventilsitzringes sieht vor, dass der Trägerwerkstoff und/oder der Funktionswerkstoff zusätzlich Kupfer enthalten, das per Infiltration zugeführt wird. Die Infiltration dient der Ausfüllung der Poren des Grünlings. Dies geschieht während des Sinterprozesses. Dabei wird das flüssige Kupfer über die Kapillarwirkung in die Poren gezogen. Während Poren bei gesinterten Produkten üblicherweise eine wärmeisolierende Wirkung aufweisen, wird die Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Grundwerkstoff, in diesem Fall Träger- und Funktionswerkstoff, bedeutend erhöht. Dies bedeutet eine optimale Nutzung des Werkstückvolumens zur Optimierung der Wärmeleitfähigkeit.
Pulvermetallurgisch hergestellte Ventilsitzringe mit infiltrierten Kupfergehalten mit etwa 20 Gew.-% sind an sich bekannt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass sich die Wärmeleitfähigkeit des Ventilsitzringes besonders positiv einstellt, wenn der Kupfergehalt des Trägerwerkstoffes >25 Gew.-%, insbesondere zwischen 25 bis 40 Gew.-% liegt, wobei die Festigkeitseigenschaften des Eisens nicht verloren gehen. Eisen hat grundsätzlich eine höhere Festigkeit als Kupfer, jedoch hat Kupfer eine höhere Wärmeleitfähigkeit. In der vorgenannten Legierungszusammensetzung für den Trägerwerkstoff lassen sich beide Vorteile dieser Metalle ohne deren Nachteile verbinden. Derartig hohe Kupfergehalte des Trägerwerkstoffes werden erreicht, wenn zusätzlich zur Kupferinfiltration für den Trägerwerkstoff ein Eisen-Kupfer-Legierungspulver verwandt wird, dem Kupfer-Pulver zugemischt wird.
Der Gesamtkupfergehalt der erfindungsgemäßen Ventilsitzringe liegt vorzugsweise bei >28 bis 40 Gew.-%. Eine besonders vorteilhafte Zusammensetzung des Trägerwerkstoffes zeigt folgende Tabelle:
0,5 bis 1 ,5 Gew.-% C
0,1 bis 0,5 Gew.-% Mn
0,1 bis 0,5 Gew.-% S
>25 bis 40 Gew.-% Cu (insgesamt)
Rest Fe.
Die Legierungszusammensetzung des Funktionswerkstoffes besteht bevorzugten Ausführungsform aus: 0,5 bis 1 ,2 Gew.-% C
6,0 bis 12,0 Gew.-% Co
1 ,0 bis 3,5 Gew.-% Mo
0,5 bis 3,0 Gew.-% Ni
1 ,5 bis 5,0 Gew.-% Cr
0,1 bis 1 ,0 Gew.-% Mn
0,1 bis 1 ,0 Gew.-% S
8,0 bis 22,0 Gew.-% Cu (infiltriert)
Rest Gew.-% Fe.
Hierbei handelt es sich um einen herkömmlichen Funktionswerkstoff. Da es sich bei den Legierungselementen um kostenintensive Materialien handelt, wird versucht, dass der Anteil der Funktionsschicht am gesamten Ventilsitzring möglichst optimiert bzw. gering gehalten wird. Da es sich bei Ventilsitzringen um Massenprodukte handelt, bedeutet dies eine enorme Reduktion der Kosten, aufgrund des reduzierten Anteils der kostspieligen Werkstoffe. Eine alternative Ausführungsform der Funktionsschicht setzt sich aus folgendem Funktionswerkstoff zusammen:
0,5 bis 1 ,5 Gew.-% C
5,0 bis 12,0 Gew.-% Mo 1 ,5 bis 4,5 Gew.-% W
0,2 bis 2,0 Gew.-% V
2,2 bis 2,8 Gew.-% Cr
0,1 bis 1 ,0 Gew.-% Mn
0,1 bis 0,5 Gew.-% S
12,0 bis 24,0 Gew.-% Cu (infiltriert)
Rest Gew.-% Fe.
Die Wahl der Werkstoffe für die Funktionsschicht hängt von den Anforderungen an den Ventilsitzring ab. Sofern die benötigten Eigenschaften durch den Funktionswerkstoff erfüllt werden, ist die kostengünstigere Variante zu wählen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines Ventilsitzringes, aufweisend eine Trägerschicht aus einem Trägerwerkstoff sowie eine Funktionsschicht aus einem Funktionswerkstoff mit den nachfolgenden Schritten: - Herstellen einer Trägerschicht mit einem Trägerwerkstoff aus einem Eisen- Kupfer-Legierungspulver,
- ggf. Verpressen des Pulvers der Trägerschicht zu einem Halbzeug,
- Herstellen einer Funktionsschicht aus einem üblichen pulverförmigen Funktionswerkstoff, - Verpressen des Pulvers zu einem Grünling,
- Sintern des Grünlings in Kontakt mit Kupfer.
Hierbei weisen die Funktions- und Trägerschicht unterschiedliche Eigenschaften auf. Während die Funktionsschicht des Ventilsitzringes insbesondere im Hinblick auf die thermische Beanspruchung ausgelegt ist, weist die Trägerschicht die notwendige Festigkeit und verbesserte Wärmeleitfähigkeit auf. Dazu besteht der Trägerwerkstoff aus einem Eisen-Kupfer-Legierungspulver. Die Trägerschicht setzt sich aus einem Eisen-Kupfer-Legierungspulver zusammen. Das Eisen liefert die Festigkeit und das Kupfer verbessert die Wärmeleitfähigkeit der Trägerschicht. Anschließend wird das Pulver der Trägerschicht zu einem Halbzeug verpresst. Hierbei lässt sich die Oberflächenneigung zur Innenkante des Ventilsitzringhalbzeugs den Anforderungen entsprechend anpassen. Der Neigungswinkel zur Horizontalebene liegt nach Lehre der Erfindung zwischen 20° und 40°. Somit lässt sich einstellen, an welchen Stellen die Funktionsschicht ggf. stärker oder schwächer ausgebildet ist. Durch den eingestellten zulaufenden Verlauf der Trägerschicht, lassen sich der Anteil und damit die Kosten der Funktionsschicht auf ein Minimum reduzieren. Dieses Halbzeug wird mit einem pulverförmigen Funktionswerkstoff bedeckt und anschließend zu einem Grünling verpresst. Dieser Grünling kommt während des Sinterprozesses mit Kupfer in Kontakt. Aufgrund der Poren des gepressten Grünlings dringt das flüssige Kupfer mittels der Kapillarwirkung in das Werkstück ein. Durch diese Form der Kupferanreicherung des Werkstückes wird die Wärmeleitfähigkeit bedeutend erhöht, während die tragende Funktion der Träger- und Funktionsschichten beibehalten wird.
Eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens besteht darin, dass das Eisen- Kupfer-Legierungspulver der Trägerschicht mit einem Kupfer-Pulver kombiniert wird, wobei der Anteil des Kupfer-Pulvers an der Gesamtlegierung über 15 Gew.-% beträgt. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass bei dieser Vorgehensweise die tragenden Eigenschaften des Eisens nicht verloren gehen, wobei die Wärmeleitfähigkeit durch das Kupfer stetig steigt. Das Kupfer- Pulver verklebt die Eisen-Kupfer-Partikel miteinander, wobei letztere aufgrund des relativ geringen Anteils von bis zu 15 Gew.-% keinen inakzeptablen Einfluss auf die Festigkeit des Materials haben.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Eisen-Kupfer-Legierungspulver mit Graphit kombiniert wird, wobei der Anteil des Graphits an der Gesamtlegierung zwischen 0,5 und 1 ,5 Gew.-% beträgt. Die Schmierwirkung des Graphits verhindert ein Fressen der Oberfläche der Trägerschicht und erhöht somit die Lebensdauer des Ventilsitzringes. Eine hilfreiche Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, dass die Trägerschicht mittels eines Pressdrucks von 450 bis 700 MPa auf eine Dichte von 6,5 bis 7,5 g / cm3 zu einem Halbzeug komprimiert wird. Diese Parameter haben sich im Hinblick auf die Kupferinfiltration als unerwartet positiv herausgestellt, da die Größe der Poren einer Idealen für die notwendige Kapillarwirkung entspricht. Das zu infiltrierende Kupfer wird über diese Porenkanäle in das Werkstück geführt. Zu hohe Pressdrücke und Dichten verhindern ein Eindringen des Kupfers in das Werkstück, während zu niedrige Pressdrücke und Dichten nicht die notwendigen Festigkeitswerte für den Ventilsitzring herstellen lassen. Der Pressdruck nach Lehre der Erfindung wird gegenüber den herkömmlichen Pressdrücken reduziert, womit die Dichte der Grünlinge ebenfalls abnimmt. Durch die niedrigere Dichte entstehen mehr Poren, die durch die Kupfer-Infiltration gefüllt werden. Dies führt zu einer höheren Kupfer-Aufnahme per Infiltration als bislang üblich. Besondere und komplexe Eigenschaften des Ventilsitzringes lassen sich durch das Verfahren einstellen, indem der Grünling mehrlagig geschichtet und verdichtet wird. Dies hat zwei wesentliche Vorteile. Zum einen wird an gering beanspruchten Positionen des Ventilsitzringes ein kostengünstiger Werkstoff verwendet. Zum anderen lassen sich die Eigenschaften durch Legierungszusammensetzung und Schichtdicke an unterschiedlichen Stellen entsprechend den jeweiligen Anforderungen anpassen.
Der Sinterprozess findet bei einer Temperatur von mehr als der Schmelztemperatur von Kupfer statt. Dies ermöglicht die Kupferinfiltration, wobei das geschmolzene Kupfer während des Sinterprozesses mittels Kapillarwirkung durch die geöffneten Poren in das Werkstück eindringt.
Das Kupfer kann dem Grünling zur Infiltration als Ring zugeführt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Schnittdarstellung des Ventilsitzringes; Gefügeaufnahme der alten Trägerschicht;
Gefügeaufnahme der neuen Trägerschicht;
Diagramm zur Wärmeleitfähigkeit des gesamten Ventilsitzringes nach Stand der Technik und nach Lehre der Erfindung;
Diagramm zur Wärmeleitfähigkeit der Trägerschicht nach Stand der Technik und nach Lehre der Erfindung.
In Figur 1 wird eine Schnittdarstellung eines Ventilsitzringes 1 gezeigt. Die Trägerschicht 2 bildet den volumetrischen Großteil des Ventilsitzringes 1 . Die Funktionsschicht 3 befindet sich im oberen Bereich des Ventilsitzringes 1 und bildet im Wesentlichen die Auflagefläche für Ventile. Deutlich erkennbar ist die Neigung zwischen Trägerschicht 2 und Funktionsschicht 3, die möglichst parallel zur Auflagefläche für die Ventile entlang des Ventilsitzringes verläuft. An der Kontaktstelle der Trägerschicht 2 und der Funktionsschicht 3 bildet sich eine Diffusionsschicht 4. Die Diffusionsschicht 4 bildet sich insbesondere während des Sinterns des zuvor nur verpressten Grünlings.
In den Figuren 2 und 3 sind Gefügeaufnahmen der Trägerschicht 2 des Ventilsitzringes 1 dargestellt. Figur 2 zeigt das Gefüge einer konventionellen Trägerschicht 2 nach Stand der Technik. Demgegenüber zeigt Figur 3 eine Gefügeaufnahme der Trägerschicht 2 eines Ventilsitzringes 1 im Sinne der Erfindung. Deutlich erkennbar weist die Gefügeaufnahme der Trägerschicht 2 in Figur 3 einen bedeutend höheren Kupferanteil auf. Der Kupferanteil ist in den Figuren 2 und 3 durch die hellen Flächen erkennbar. Die dunklen Flächen zeigen den Anteil des Eisen- bzw. Eisen-Kupfer-Anteils.
Die Figuren 4 und 5 zeigen Diagramme bezüglich der Wärmeleitfähigkeit der Ventilsitzringen 1 bzw. der Trägerschicht 2. Dabei erfolgt eine Gegenüberstellung der alten (Stand der Technik; SdT) und der neuen Fertigungsmethode (Lehre der Erfindung; LdE) der Ventilsitzringe 1 . Die Wärmeleitfähigkeit wurde nach dem Laser-Flash-Verfahren an der RWTH Aachen gemessen.
Die Figur 4 zeigt ein Diagramm der Wärmeleitfähigkeit fertiger Ventilsitzringe 1 . Variante 1 weist im Vergleich zu Variante 2 eine andere Zusammensetzung der Funktionsschicht 3 auf. Die Funktionsschicht 3 wird nach Stand der Technik als bekannt vorausgesetzt. Die Zusammensetzung der Trägerschicht unterscheidet sich nach Stand der Technik und nach Lehre der Erfindung. Deutlich erkennbar liegt die Wärmeleitfähigkeit der Varianten 1 und 2 nach Lehre der Erfindung in hohem Maße über der Wärmeleitfähigkeit der Varianten 1 und 2 nach Stand der Technik.
Die Figur 5 zeigt ein Diagramm der Wärmeleitfähigkeit von Trägerschichten 2 für zwei unterschiedliche Varianten von Funktionsschichten 3 von Ventilsitzringen 1 . Es zeigt sich, dass die Wärmeleitfähigkeit der herkömmlichen Trägerschicht 2 nach Stand der Technik ab 48 W / m * K mit steigender Temperatur abnimmt. Demgegenüber hält sich die Wärmeleitfähigkeit der Trägerschicht 2 für beide Varianten nach Lehre der Erfindung gemittelt leicht über 70 W / m * K. Bei einer Temperatur von 500 °C liegt die Wärmeleitfähigkeit der Varianten 1 & 2 nach Lehre der Erfindung (etwa 70 W / m * K) 46 Gew.-% über der Wärmeleitfähigkeit der Varianten 1 & 2 nach Stand der Technik (etwa 38 W / m * K).
Die Erfindung wird durch das nachfolgende Beispiel näher erläutert: Beispiel:
Die Trägerschicht wird aus einem Trägerwerkstoff bei 550 MPa zu einem Halbzeug verpresst. Der Trägerwerkstoff besteht dabei aus einer Kombination aus Kupfer-Pulver und Eisen-Kupfer-Legierungspulver. Dabei hat die Trägerschicht die Form eines Rings, der eine nach innen stark abfallende Neigung aufweist. Anschließend wird dieses Halbzeug mit einem Funktionswerkstoff in Pulverform bedeckt und zu einem Grünling verpresst, womit auch die Funktionsschicht entsteht. Dieser Grünling wird bei 1 100 °C gesintert, wobei Kupfer in Drahtform hinzugegeben wird. Dieses Kupfer schmilzt und wird über die Kapillarwirkung in den im Sinterprozess befindlichen Grünling gezogen. Der fertige Ventilsitzring hat in der Trägerschicht eine Legierungszusammensetzung von 1 ,2 Gew-% C, 0,3 Gew-% Mn, 0,2 Gew-% S und 35 Gew-% Cu und in der Funktionsschicht eine Legierungszusammensetzung von 1 ,1 Gew-% C, 9,7 Gew-% Co, 1 ,4 Gew- % Mo, 2,5 Gew-% Ni, 3,0 Gew-% Cr, 0,5 Gew-% Mn, 0,5 Gew-% S und 19,0 Gew-% Cu, wobei die Kupfer-Anteile aus der Eisen-Kupfer-Legierung, dem Kupfer-Pulver und der Kupfer-Infiltration zusammengefasst sind.
Der gefertigte Ventilsitzring hat eine hohe Festigkeit, bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigkeit und Schmierfähigkeit.

Claims

Patentansprüche
1 . Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring mit einer Trägerschicht (2) und einer Funktionsschicht (3), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n et, dass der Trägerwerkstoff der Trägerschicht (2) eine Wärmeleitfähigkeit größer 55 W / m*K bei einem Gesamtkupfergehalt von >25 bis 40 Gew.-% hat.
2. Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerwerkstoff der Trägerschicht (2) eine Wärmeleitfähigkeit größer 65 W / m*K, insbesondere größer 70 W / m*K, hat.
3. Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerwerkstoff eine Eisen-Kupfer-Legierung enthält.
4. Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupfer-Anteil der Eisen-Kupfer-Legierung über 5 Gew.-%, insbesondere bei etwa 10 Gew.-%, liegt.
5. Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerwerkstoff eine Mischung aus der Eisen-Kupfer-Legierung und Kupfer-Pulver enthält.
6. Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Kupfer-Pulvers zwischen 5 und
15 Gew.-%, insbesondere bei etwa 10 Gew.-%, liegt.
7. Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerwerkstoff und/oder der Funktionswerkstoff Kupfer enthält, das per Infiltration zugeführt worden ist.
8. Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Gesamt-Kupfergehalt von mehr als 25 Gew-%.
9. Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring nach einem der vorgenannten Ansprüche, mit einem die Trägerschicht (2) bildenden Trägerwerkstoff aus
0,5 bis 1 ,5 Gew.- -% C
0,1 bis 0,5 Gew.- -% Mn
0,1 bis 0,5 Gew.- -% S
>25 bis 40 Gew.- -% Cu
Rest Fe.
10. Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring nach einem der vorgenannten Ansprüche, mit einem die Funktionsschicht (3) bildenden Funktionswerkstoff aus
0,5 bis 1 ,2 Gew.- -% C
6,0 bis 12,0 Gew.- -% Co
1 ,0 bis 3,5 Gew.- -% Mo
0,5 bis 3,0 Gew.- -% Ni
1 ,5 bis 5,0 Gew.- -% Cr
0,1 bis 1 ,0 Gew.- -% Mn
0,1 bis 1 ,0 Gew.- -% S
8,0 bis 22,0 Gew.- -% Cu
Rest Gew.- -% Fe.
1 1 . Pulvermetallurgisch hergestellter Ventilsitzring nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem die Funktionsschicht (3) bildenden Funktionswerkstoff aus
0,5 bis 1 ,5 Gew.-% C
5,0 bis 12,0 Gew.-% Mo
1 ,5 bis 4,5 Gew.-% W
0,2 bis 2,0 Gew.-% V
2,2 bis 2,8 Gew.-% Cr
0,1 bis 1 ,0 Gew.-% Mn
0,1 bis 0,5 Gew.-% S
12,0 bis 24,0 Gew.-% Cu
Rest Gew.-% Fe.
12. Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines Ventilsitzringes, aufweisend eine Trägerschicht (2) aus einem Trägerwerkstoff sowie eine Funktionsschicht (3) aus einem Funktionswerkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , mit den nachfolgenden Schritten
- Herstellen einer Trägerschicht (2) mit einem Trägerwerkstoff aus einem Eisen-Kupfer-Legierungspulver
- Gegebenenfalls Verpressen des Pulvers der Trägerschicht (2) zu einem Halbzeug
- Herstellen einer Funktionsschicht aus einem üblichen pulverförmigen Funktionswerkstoff
- Verpressen des Pulvers zu einem Grünling
- Sintern des Grünlings in Kontakt mit Kupfer.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das
Eisen-Kupfer-Legierungspulver der Trägerschicht (2) mit Kupfer-Pulver kombiniert wird, wobei der Anteil des Kupfer-Pulvers in der Trägerschicht 5 Gew.-% bis 15 Gew.-% beträgt.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Eisen-Kupfer-Legierungspulver mit Graphit kombiniert wird, wobei der Anteil des Graphits an der Trägerschicht zwischen 0,5 und 1 ,5 Gew.-% beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) mittels eines Pressdrucks von 450 bis 700 MPa auf eine Dichte von 6,5 bis 7,5 g / cm3 zu einem Halbzeug komprimiert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünling mehrlagig geschichtet und verdichtet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zu infiltrierende Kupfer als Ring zugeführt wird.
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