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Verwendung einer Nickel-Chrom-Legierung als Werkstoff für gegossene
. Ventilsitzringe Die Erfindung bezieht sich auf Ventilsitzringe bzw. -einsätze
der bei Verbrennungsmotoren verwendeten Art.
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Vom mechanischen Standpunkt aus betrachtet, besitzen Ventilsitzringe
eine verhältnismäßig einfache Konstruktion, doch ergeben sich schwerwiegende metallurgische
Probleme, wenn man versucht, Ventilsitzringe zu schaffen, die allen Anforderungen
moderner Motoren, die mit Bleibenzin betrieben werden, standhalten sollen.
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Eine der hauptsächlichen Schwierigkeiten bei der Wahl eines geeigneten
Metalls bzw. einer geeigneten Legierung für Ventilsitzringe ergibt sich im Hinblick
auf die Widerstandsfähigkeit der Ventilsitzringe gegen Zusammendrücken.
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Wenn man Metalle oder Legierungen während längerer Zeiträume auf sehr
hohe Temperaturen erhitzt, so bleiben sie bekanntlich in einem ausgedehnten Zustand
und ziehen sich beim Abkühlen nicht wieder auf ihre ursprünglichen Abmessungen zusammen.
Da die Ventilsitzringe bei Verbrennungsmotoren normalerweise mit Preßsitz, in entsprechende
Aussparungen in den Zylinderköpfen oder Zylinderblöcken eingebaut werden, werden
die Ventilsitzringe beim Betrieb des Motors erhitzt, und sie können sich ausdehnen,
bis eine weitere Ausdehnung durch das die Ringe umgebende Metall verhindert wird.
Wenn dieser Punkt erreicht ist, führt eine weitere Ausdehnung infolge gesteigerter
Temperaturen dazu, daß sich der Ventilsitzring von der die Ausdehnung begrenzenden
Schulter oder Wand in dem Zylinderkopf oder Zylinderblock weg nach innen biegt.
Wenn die so gebogenen Ventilsitzringe die Temperatur, bei der sie sich setzen, erreichen
und dann von dieser Temperatur abgekühlt werden, schrumpft das Metall der Ringe
von der Wandung der Einbauöffnung weg, und die Ringe lockern sich. Derartige bleibend
verbogene Ventilsitzringe bezeichnet man als zusammengedrückt bzw. zusammengefallene
Ventilsitzringe.
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Bis jetzt stellt man Ventilsitzringe meist mit Hilfe kostspieliger
Arbeitsgänge im Wege des Schmiedens, der spanabhebenden Bearbeitung und der Wärmebehandlung
her. Die besten der bis jetzt bekannten Ventilsitzringe müssen geglüht, gehärtet,
abgeschreckt, angelassen und auf eine Rockwell-C-Härte von etwa 35 Einheitern
gebracht Werden. Das Gefügebild derartiger Ventilsitzringe zeigt im allgemeinen
eine Ansammlung vors Karbiden mit etwas Martensit, die in einer interdendritischen
Anordnung orientiert sind, wobei ein Teil der Karbide an den Korngrenzen liegt bzw.
über die Grundmasse verstreut ist. Dieses Gefüge liefert jedoch keinen ausreichenden
Widerstand gegen das Zusammendrücken bei oberhalb ; von etwa 425°C liegenden Temperaturen.
Da neuzeitliche schnellaufende und hochverdichtende Verbrennungsmotoren vielfach
bei Temperaturen arbeiten, bei denen die Temperatur der Ventilsitzringe über 425°C
hinaus ansteigt, verursachen zusammengedrückte Ventilsitzringe erhebliche Schwierigkeiten.
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Eine weitere Schwierigkeit, die insbesondere bei Motoren auftritt,
die mit. Benzin betrieben werden, das einen verhältnismäßig hohen Prozentsatz an
Bleitetraäthyl enthält, - ergibt sich bezüglich der Oberflächenbeständigkeit. Ein
guter Ventilsitzring muß eine glatte Oberfläche besitzen, die dem Ansetzen von Krusten
Widerstand leistet und die der Korrosion, der Erosion, der Grübchenbildung sowie
einem übermäßigen Verschleiß standhält. Anderenfalls erhält maii' keine einwandfreie
Abdichtung zwischen der Sitzfläche des Ventils und dem Ventilsitzring.
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Ferner soll ein guter Ventilsitzring keine Affinität gegenüber den
im Verbrennungsraum vorhandenen' Kohlenstoff- und Bleiablagerungen aufweisen. Die
genannten Stoffe lagern sich leicht auf den Ventilsitzringen ab und wirken als wärmedämmende
Stoffe, wodurch sich die Ventiltellertemperaturen erhöhen.
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Im Sinne der vorstehenden Ausführungen müß ein guter Ventilsitzring
ferner eine gute Warmhärte besitzen, d. h., er muß einen erheblichen Teil seiner
Härte selbst bei den erhöhten Temperaturen behalten, bei denen der Motor arbeitet.
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,- Diese Fähigkeit eines Ventilsitzrings, seine Härte beizubehalten,
bestimmt in erheblichem Ausmaß das satte Aufliegen, das sich zwischen der Ventilsitzfläche
und dem Ventilsitzring bei den Betriebstemperaturen des Motors aufrechterhalten
läßt.
Die Eigenschaften des Ventilsitzrings besitzen ferner einen
ausgesprochenen Einfluß auf die sich während des Betriebes des Motors zeigenden
Änderungen des Ventilspiels. Während des Betriebes akkumulieren sich diese Änderungen
im Ventilsteuerängsinechanismüs infolge des Verschleißes und des- Einschlagens des
Ventilsitzrings. Es ist somit erwünscht, daß der Ventilsitzring Eigenschaften besitzt,
durch welche diese Änderungen auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, und es ist
unerwünscht, während des Betriebes des Motors das Ventilspiel häufig einstellen
zu müssen.
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Die vorstehend aufgeführten: Faktoren lassen erkennen, daß die Wahl
einer geeigneten Legierung für Ventilsitzringe ein wichtiges Problem darstellt.
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Im Hinblick auf die vorangegangenen Ausführungen besteht immer noch
ein Bedarf nach besseren Ventilsitzringen, und die Schaffung solcher besseren Ventilsitzringe
stellt ein Hauptziel der Erfindung dar.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen verbesserten
Ventilsitzring zu schaffen, der sich leichter und unter geringeren Kosten herstellen
läßt als die bis jetzt bei zahlreichen Bauarten von Verbrennungsmotoren verwendeten
Arten von Ventilsitzringen.
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Es hat sich nun gezeigt, daß man die Temperatur, bei der die Ventilsitzringe
eine bleibende Verformung erleiden, steigern und andere erwünschte Eigenschaften
verbessern kann, indem man gegossene Ventilsitzringe vorsieht, die folgende Zusammensetzung
aufweisen:
| 2,25 bis 2,75 % Kohlenstoff, |
| 37 bis 43 °/o Nickel, |
| 18 bis 22 % Chrom, |
| 10 bis 14 % Kobalt, |
| 5 bis 7 °/o Wolfram und/oder Molybdän, |
| Rest Eisen einschließlich der üblichen |
| Verunreinigungen. |
Eine besonders bevorzugte Zusammensetzung für Ventilsitzringe ist folgende:
| 2,5 °/4 Kohlenstoff, |
| 40 % Nickel, |
| 20 % Chrom, |
| . 12 °/o Kobalt, |
| 6 % Wolfram, |
| Rest Eisen. |
Im Hinblick auf die Ziele der Erfindung sind Molybdän und Wolfram im wesentlichen
untereinander austauschbar. Wo die Härte des Ventlsitzrings von wesentlicher Bedeutung
ist, kann man, 'wie bei der vorstehend angegebenen bevorzugten Zusammensetzung,
ausschließlich Wolfram verwenden. Wenn es vor allem auf Zähigkeit ankommt, kann
man nur die Verwendung von Molybdän vorsehen. Gegebenenfalls kann man ein Gemisch
der beiden Metalle verwenden, um die günstige Wirkung beider auszunutzen, wie es
bei folgenderZusammensetzung der Fall ist:
| 2,5°/o Kohlenstoff, |
| 40 % Nickel, |
| 20 % Chrom, |
| 12 0% Kobalt, |
| 3 % Wolfram, |
| 3 O/, Molybdän, |
| Rest Eisen. |
Die Legierungen der vorstehenden Zusammensetzungen lassen sich schmelzen und in
geeignete Formen gießen, um den Ventilsitzring herzustellen. Zu den hierbei anwendbaren
Gießverfahren gehört das bekannte Sandgußverfahren sowie das Maskenformverfahren,
das Ausschmelzverfahren und andere Gießtechniken, die es ermöglichen, glatte und
genaue Gußstücke herzustellen, die frei sind von Rissen, Lunkern, Schrumpfungen
u. dgl.
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Die gegossenen Ventilsitzringe erfordern keine besondere Wärmebehandlung,
so daß sie sich erheblich leichter und billiger herstellen lassen als die bisher
gebräuchlichen Ventilsitzringe; bei deren Herstellung vielfach ein Härten und Anlassen
erforderlich ist.
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Ein zweckmäßiger Versuch zum Prüfen der Widerstandsfähigkeit der Ventilsitzringe
gegen Zusammendrücken besteht darin, daß man den zu untersuchenden Ring in einen
Bußeisernen Becher einbringt und daß man in den Innenraum des Rings eine Hochfrequenzinduktionsspule
einsetzt. Der Bußeiserne Becher ist von einem Wasserring umgeben. Dann wird der
Ventilsitzring intermittierend mittels der Induktionsspule erhitzt und durch Besprühen
des Bußeisernen Bechers mit Wasser abgekühlt. Der Ventilsitzring wird zunächst im
Verlauf von mehreren hundert Arbeitsspielen auf etwa
150'C
erhitzt und dann
auf lockeren Sitz geprüft. Hierauf steigert man die Temperatur in Schritten von
etwa 14'C und wiederholt das Erhitzen im Verlauf von mehreren hundert Arbeitsspielen.
Dieses Verfahren setzt man fort, bis sich der zu untersuchende Ventilsitzring in
dem Bußeisernen Becher lockert. Die Endtemperatur wird dann als die Lockerungstemperatur
bzw. als die Zusammendrückungstemperatur aufgezeichnet. Der Widerstand von vier
Ventilsitzringen, deren Zusammensetzungen innerhalb der oben angegebenen Bereiche
lag, wurde mit folgenden Ergebnissen gemessen:
| Abnahme Abnahme Zunahme Arbeits- |
| Anfän - des Ring- des Ring- desBecher- spiele End- |
| g Außen- Innen-- Innen- sp tempe- |
| Übermaß liches durch- durch- durch- bis zur ratur messers messers
messers Lok- |
| mm mm mm kerung o C |
| 0;076 0,078 0,058 0,0025 4200 577 |
| 0,076 0,122 0,086 0,0025 4500 592 |
| 0,099 0,152 0,076 0,0076 5400 635 |
| 0,091 0,170 0,076 0;0051 4500 592 |
Die Korrosionsbeständigkeit der Ventilsitzringe gegenüber Bleioxyd wurde mittels
eines Standardversuchs bestimmt, bei dem die Prüfstücke in Bleioxyd eingepackt und
1 Stunde lang in einer. oxydierenden Atmosphäre auf einer Temperatur von eta 900°C
gehalten wurden. Die nach dem Versuch festgestellte und in Gramm je Quadratdezimeter
ausgedruckte Gewichtsabnahme stellt den Verlust infolge von Bleioxydkorrosion dar.
Bei der Prüfung unter den angegebenen Bedingungen zeigten Ventilsitzringe mit Zusammensetzungen
innerhalb der angegebenen Bereiche einen mittleren Gewichtsverlust von nur 3,5 g
je Quadratdezimeter. Im Gegensatz hierzu verloren Musterstücke von verschiedenen
handelsüblichen Ventilsitzringen mit von der erfindungsgemäßen Zusammensetzung abweichenden
Zusammensetzungen unter den gleichen Versuchsbedingungen bis zu mehreren hundert
Gramm je Quadratdezimeter.
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Weiterhin zeigten die gemäß der Erfindung hergestellten Ventilsitzringe
keine bemerkenswerten Ablagerungen, wie sie im Verbrennungsraum vorkommen, an ihren
Sitzflächen und keine meßbare Einbuße an Härte bei der Betriebstemperatur des Motors.
Auch dies steht in bemerkenswertem Gegensatz zu verschiedenen handelsüblichen Ventilsitzringen,
die eine erhebliche Affinität gegenüber den Verbrennungsrückständen zeigten und
bei der Betriebstemperatur des Motors einen erheblichen Teil ihrer Festigkeit verloren.
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Ein sehr bedeutsamer Vorteil der Erfindung geht aus dem Ventilspiel
hervor, das sich bei Benutzung der
erfindungsgemäßen Ventilsitzringe
während des Betriebes eines Motors beobachten läßt. Bei einem entsprechenden Versuch
wurden einige Zylinder eines schweren Lastkraftwagenmotors mit den erfindungsgemäßen
Ventilsitzringen ausgerüstet. Nach 400 Betriebsstunden betrug die Gesamtzunahme
des Ventilspiels bei den Zylindern etwa 0,1 mm. Bei anderen Zylindern wurden Ventüsitzringe
aus einer Legierung mit hohem Nickelgehalt verwendet, die 58,7 °/a Nickel, 26 %
Chrom, etwa 4 % Eisen und etwa 2,0 °/o Kohlenstoff enthielt. Die Gesamtänderung
des Ventilspiels betrug für diese Ventilsitzringe bei dem gleichen Versuch mehr
als 0,25 mm.
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Aus den vorstehenden Angaben ist ersichtlich, daß die -erfindungsgemäßen
Ventilsitzringe eine außerordentliche Widerstandsfähigkeit gegen das Zusammendrücken
sowie eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit aufweisen und daß sich bei ihrer
Verwendung das Ventilspiel nur geringfügig vergrößert. Die zusätzlichen Eigenschaften
guter Warmfestigkeit und des Widerstandes gegen die Bildung - von Ablagerungen machen
die - erfindungsgemäßen Legierungen für den vorgesehenen Verwendungszweck wesentlich
besser geeignet als die bekannten kostspieligen Ventilsitzringe.
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Zwar eignet sich die erfindungsgemäße Legierung infolge ihrer Eigenschaften
besonders gut für die Herstellung von Ventilsitzringen, doch liegt es auf der Hand,
daß sich die Legierung auch allgemein für Gegenstände eignet, die verschleißfest,
korrosionsbeständig und formbeständig sein müssen.