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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine austenitische auf Eisen
basierende Legierung und die Verwendung einer austenitischen auf
Eisen basierenden Legierung als ein Auftrags- bzw. Beschichtungsmaterial
für ein
Metallsubstrat eines Verbrennungsmotors.
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Hintergrund der Erfindung
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Sich
hin und her bewegende Motorventile, oder Sitzventile, zur Verwendung
in Verbrennungsmotoren sind bekannt. Sitzventile werden sowohl als
Einlass- als auch
als Auslassventile verwendet. Derartige Ventile können eine
aufgetragene Ventilstirnfläche
umfassen, die konstruiert ist, um an einem Ventilsitz anzuliegen bzw.
anzustoßen.
Die aufgetragene Ventilstirnfläche
kann Eigenschaften besitzen, die Verschleißbeständigkeit, Hitzebeständigkeit
und Thermoschockfestigkeit bzw. Temperaturwechselbeständigkeit über einen
breiten Temperaturbereich, der von Raumtemperatur (z.B. ungefähr 75°F) bis zu
erhöhten
Temperaturen (z.B. 600°C) reicht,
umfassen.
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U.S. Patent Nr. 6,248,292 offenbart
eine Legierung, die auf eine Ventilstirnfläche aufgetragen ist. Die Legierung
umfasst gewichtsmäßig 20–60% Mo,
0,2–3%
C, 5–40%
Ni, 15–40%
Co, 1–10%
Cr und den Restbetrag Fe und unvermeidbare Verunreinigungen.
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U.S. Patent Nr. 6,702,905 offenbart
eine auf Eisen basierende Legierung, die verwendet werden kann, um
einen Ventilsitz zu bilden. Die auf Eisen basierende Legierung weist
gewichtsmäßig Folgendes
auf: ungefähr
0,005% bis 0,5% Bor, ungefähr
1,2 bis 1,8% Kohlenstoff, ungefähr
0,7% bis 1,5% Vanadium, ungefähr
7 bis 11% Chrom, ungefähr
1% bis ungefähr
3,5% Niob, ungefähr
6% bis 11% Molybdän
und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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De 197 33 306 offenbart
eine auf Eisen basierende Legierung, die für thermische Beschichtung der Komponenten
verwendet wird, die Reibung ausgesetzt sind. Die Legierung umfasst
gewichtsmäßig 15%
bis 40% Mangan, 0,1% bis 30% Chrom, 0,1% bis 8% Silizium, 0,1% bis
6% Silizium, 0,1% bis 6% Nickel, weniger als 0,1% Aluminium, weniger
als 0,2% Kohlenstoff, weniger als 7% Bor, weniger als 0,05% Schwefel,
weniger als 0,05% Phosphor, weniger als 5% Molybdän, weniger
als 6% Niob, weniger als 6% Vanadium, weniger als 12% Wolfram und
den Restbetrag Eisen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine austenitische auf Eisen
basierende Legierung, die gewichtsmäßig Folgendes aufweist: ungefähr 0,25%
bis ungefähr
0,9% Kohlenstoff, ungefähr
1,5% bis ungefähr 3,5%
Bor, ungefähr
1% bis ungefähr
2% Silizium, mindestens ungefähr
20% Chrom, eine Menge von Mangan, die ausreicht um die auf Eisen
basierende Legierung mit einer austenitischen Struktur zu versehen
und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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Die
austenitische auf Eisen basierende Legierung kann als eine Aufpanzerung
bzw. Hartbeschichtung für
ein Metallsubstrat verwendet werden. Die Hartbeschichtung kann auf
das Metallsubstrat durch einen Auftragschweißprozess aufgetragen werden.
Die Hartbeschichtung kann die Verschleißbeständigkeit und Hitzebeständigkeit
des Metallsubstrates erhöhen.
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In
einem Aspekt der Erfindung kann das Metallsubstrat ein Ventil für einen
Verbrennungsmotor aufweisen. Die austenitische auf Eisen basierende
Legierung kann als eine Hartbeschichtung auf der Ventilsitzfläche des
Ventils vorgesehen sein. Die austenitische auf Eisen basierende
Legierung, die auf die Ventilsitzfläche aufgetragen wird, kann
die Warmhärte,
die Verschleißbeständigkeit
wesentlich verbessern und die Betriebsdauer des Ventils verlängern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorangegangenen und andere Merkmale der Erfindung werden dem Fachmann
des Gebietes bei Berücksichtigung
der folgenden Beschreibung der Erfindung und der begleitenden Zeichnungen
offensichtlich werden, in denen zeigt:
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1 eine
Darstellung einer schematischen Schnittansicht einer Ventilanordnung
für einen
Verbrennungsmotor gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Schnittansicht eines Ventilkopfes eines Ventils der 1;
und
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3 eine
Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens der Bildung einer
Hartbeschichtung an einem Ventil gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung;
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4 eine
Darstellung von mikroskopischen Aufnahmen der Kristallstruktur einer
auf Eisen basierenden Legierung im Gusszustand und nachdem sie 100
Stunden lang 600°C
ausgesetzt wurde;
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5 eine
Darstellung von mikroskopischen Aufnahmen der Kristallstruktur einer
auf Eisen basierenden Legierung im Gusszustand und nachdem sie 1000
Stunden lang 600°C
ausgesetzt wurde.
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Beschreibung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine austenitische auf Eisen
basierende Legierung. Mit austenitisch ist gemeint, dass die auf
Eisen basierende Legierung bei Raumtemperatur (z.B. ungefähr 75°F) eine austenitische
Struktur aufweist. Die austenitische Struktur weist eine feste Lösung von
einem oder mehr Elementen in einem kubisch-flächenzentrierten Eisen (d.h.
Gammaeisen) auf.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung kann die austenitische auf Eisen basierende
Legierung gewichtsmäßig Folgendes
aufweisen: ungefähr
0,25% bis ungefähr
0,9% Kohlenstoff, ungefähr
1,5% bis ungefähr 3,5%
Bor, ungefähr 1%
bis ungefähr
2% Silizium, zumindest 20% Chrom, eine Menge an Mangan die wirksam ist,
um die auf Eisen basierende Legierung mit einer austenitischen Struktur
zu versehen und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen
umfasst.
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Der
Kohlenstoff ist ein Austenitbildner und kann mit Metallen (z.B.
Fe) in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung in einer
festen Lösung
(solid solution) verbunden werden. Der Kohlenstoff kann ebenfalls
die Härte,
die Zugfestigkeit und die Streckgrenze ebenso wie die Verschleißbeständigkeit
der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung erhöhen. Der
Minimumkohlenstoffgehalt der austenitischen auf Eisen basierenden
Legierung, der notwendig ist, um sowohl die Stabilität der austenitischen
Struktur zu gewähren als
auch die Härte,
die Stärke
und die Verschleißfähigkeit
der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung zu verbessern,
ist mindestens ungefähr
0,25 Gewichts-% Kohlenstoff. Während
der Gewichtsprozentsatz des Kohlenstoffs in der austenitischen auf
Eisen basierenden Legierung zunimmt, kann die austenitische auf
Eisen basierende Legierung potentiell anfälliger für Versprödung werden und kann mit einer
extrem hohen Härte
versehen werden. Der Kohlenstoff kann in der austenitischen auf
Eisen basierenden Legierung bis zu ungefähr 0,9 Gewichts-% vorgesehen
sein, um die Anfälligkeit
für Versprödung und
extreme Härte
der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung abzuschwächen.
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Bor,
das eine sehr niedrige Löslichkeit
in Eisen besitzt, kann verwendet werden, um ein hohes Niveau an
Warmhärte
zu erreichen. Man glaubt, dass geringe Mengen von Bor potentiell
die Stärke
und Kornfeinung der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung
durch Bildung von Metallboriden verbessert, die stabiler als Metallkarbide
sind. Ein Übermaß an Bor
kann jedoch die Zähigkeit
der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung vermindern. Die
Menge an Bor, die notwendig ist, um die Warmhärte und Stärke der austenitischen auf
Eisen basierenden Legierung zu verbessern, kann mindestens ungefähr 1,5 Gewichts-%
sein. Das Bor kann in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung
bis zu ungefähr
3,5 Gewichts-% vorgesehen sein, ohne dass die Zähigkeit der austenitischen
auf Eisen basierenden Legierung wesentlich herabgesetzt wird.
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Das
Silizium kann eine Erhöhung
der Stärke
und der Oxidationsbeständigkeit
der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung erzeugen. Das
Silizium kann in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung
in einer Menge von mindestens ungefähr 1 Gewichts-% vorhanden sein.
Der Siliziumgehalt sollte ungefähr
2 Gewichts-% nicht überschreiten,
da Silizium bei Mengen über
ungefähr
2 Gewichts-% die Stärke
und Zähigkeit
der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung potentiell herabsetzen
kann.
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Chrom
verleiht der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung eine
erwünschte
Kombination von Korrosionsbeständigkeit,
Härtbarkeit,
Verschleißbeständigkeit
und Oxidationsbeständigkeit.
Chrom kann in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung
in einer Menge von mindestens ungefähr 20 Gewichts-% enthalten
sein. Beispielsweise kann die auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig ungefähr 20% bis
ungefähr
35% Chrom enthalten.
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Das
Mangan ist ein Austenitbildner und in Kombination mit Kohlenstoff
und anderen potentiell enthaltenen Austenit bildenden Legierungselementen
(d.h. Austenitbildnern) versieht es die austenitische auf Eisen basierende
Legierung der vorliegenden Erfindung mit seiner austenitischen Struktur.
Das Mangan kann ebenfalls die Stärke
und die Ziehbarkeit bzw. Duktilität der austenitischen auf Eisen
basierenden Legierung erhöhen.
Mangan ist in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung
in einer Menge vorhanden, die wirksam ist, um die austenitische
auf Eisen basierende Legierung mit einer austenitischen Struktur
zu versehen. Diese Menge kann variieren, und zwar abhängig von
der Menge anderer Austenitbildner, die in der austenitischen auf
Eisen basierenden Legierung enthalten sind. Wo nur zufällige Mengen
(z.B. weniger als ungefähr
0,25 Gewichts-%) anderer Austenitbildner, wie zum Beispiel Nickel,
Kobalt und Kupfer, in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung
vorhanden sind, ist beispielsweise die Menge an Mangan, die erforderlich
ist, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung mit ihrer austenitischen
Struktur zu versehen, mindestens ungefähr 18 Gewichts-% der austenitischen
auf Eisen basierenden Legierung.
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In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wo nur zufällige
Mengen anderer Austenitbildner enthalten sind, kann die austenitische
auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig ungefähr 18% bis ungefähr 30% Mangan
enthalten, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung mit
seiner austenitischen Struktur zu versehen.
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Die
austenitische auf Eisen basierende Legierung kann weniger als ungefähr 18% Mangan
umfassen, so lange andere Austenitbildner, wie beispielsweise Nickel,
Kobalt und Kupfer, Mangan ersetzen. Austenitbildner, wie zum Beispiel
Nickel, Kobalt und Kupfer, sind typischerweise teurer als Mangan
und erhöhen,
wenn sie in der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung verwendet
werden, wesentlich die Kosten der austenitischen auf Eisen basierenden
Legierung. Es ist daher wünschenswert,
die Mengen dieser Austenitbildner in der austenitischen auf Eisen
basierenden Legierung zu minimieren.
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In
einem Aspekt der Erfindung kann die auf Eisen basierende Legierung
gewichtsmäßig weniger
als ungefähr
5% dieser anderen Austenitbildner (z.B. Nickel, Kobalt und Kupfer)
umfassen. In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die austenitische
auf Eisen basierende Legierung im Wesentlichen frei von Nickel,
Kobalt und Kupfer. Mit im Wesentlichen frei ist in diesem Aspekt
gemeint, dass die austenitische auf Eisen basierende Legierung kein
Nickel, Kobalt und Kupfer enthält,
außer
kleinen Mengen, die in der auf Eisen basierenden Legierung in Form
von Verunreinigungen enthalten sein können, und die die austenitische
Struktur der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung materiell
nicht beeinträchtigen.
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Der
Restbetrag der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung kann
aus Eisen, zufälligen
Verunreinigungen und Verdünnungsmitteln
bestehen. Die zufälligen
Verunreinigungen können
Spurenmengen (z.B. bis zu je 0,4%) von Schwefel, Stickstoff, Phosphor
und/oder Sauerstoff enthalten. Die zufälligen Verunreinigungen können ebenfalls
Karbid bildende Legierungselemente, wie zum Beispiel Molybdän, Titan,
Vanadium und Wolfram und andere Austenitbildner, wie zum Beispiel
Nickel, Kobalt und Kupfer, enthalten. Diese Elemente können in
der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung in einer Menge
vorhanden sein, die wirksam ist, um die Verschleißfähigkeit
und Korrosionsbeständigkeit
der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung zu verbessern,
ohne die Stabilität
der austenitischen Struktur ungünstig
zu beeinflussen. Die zufälligen
Verunreinigungen können
noch weitere Elemente, wie zum Beispiel Calcium, Blei, Niob, Aluminium
und Zinn umfassen, und zwar in Mengen (z.B. weniger als ungefähr 0,4 Gewichts-%),
die die Korrosions-, Verschleiß-,
Härte-
und die austenitischen Eigenschaften der austenitischen auf Eisen
basierenden Legierung nicht nachteilig beeinflussen. Die Verdünnungsmittel
können
Spurenmengen von Elementen enthalten, die von einer Basislegierung
zu der austenitischen auf Eisen basierenden Legierung diffundieren,
wenn die austenitischen auf Eisen basierende Legierung als eine
Hartbeschichtung für
die Basislegierung verwendet wird.
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Ein
Beispiel einer speziellen austenitischen auf Eisen basierenden Legierung
gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst gewichtsmäßig ungefähr 0,25%
bis ungefähr
0,9% Kohlenstoff, ungefähr
1,5% bis ungefähr 3,5%
Bor, ungefähr
1% bis ungefähr
2% Silizium, mindestens ungefähr
18% Mangan, mindestens ungefähr 20%
Chrom und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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Ein
weiteres Beispiel einer speziellen austenitischen auf Eisen basierenden
Legierung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst gewichtsmäßig ungefähr 0,25%
bis ungefähr
0,9% Kohlenstoff, ungefähr
1,5% bis ungefähr
3,5% Bor, ungefähr
1% bis ungefähr
2% Silizium, ungefähr
18% bis ungefähr
30% Mangan, ungefähr
20% bis ungefähr
35% Chrom und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen enthält.
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Noch
ein weiteres Beispiel einer speziellen austenitischen auf Eisen
basierenden Legierung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann im Wesentlichen gewichtsmäßig bestehen aus ungefähr 0,25%
bis ungefähr 0,9%
Kohlenstoff, ungefähr
1,5% bis ungefähr
3,5% Bor, ungefähr
1% bis ungefähr
2% Silizium, ungefähr
18% bis ungefähr
30% Mangan, ungefähr
20% bis ungefähr
35% Chrom und den Restbestand, der Eisen und zufällige Verunreinigungen enthält.
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Die
austenitische auf Eisen basierende Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist widerstandsfähig
gegenüber
Verschleiß und
Korrosion und behält
ihre austenitische Kristallstruktur bei Temperaturen bei, die von
ungefähr
400°C bis
ungefähr
900°C reichen.
Darüber
hinaus besitzt die austenitische auf Eisen basierende Legierung
eine Warmhärte
und einen Hochtemperaturermüdungswiderstand,
der zulässt,
dass sie in Hartbeschichtungsanwendungen, wie zum Beispiel einer
Hartbeschichtung für
ein Metallsubstrat einer Verbrennungsmotorkomponente, verwendet
wird. Wenn sie als eine Hartbeschichtung für ein Metallsubstrat verwendet
wird, kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung die
Warmhärte
ebenso wie den Widerstand des Metallsubstrats gegenüber Verschleiß, Korrosion
und Wärme
wesentlich erhöhen.
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In
einem Aspekt der Erfindung kann das Metallsubstrat ein Motorventil
für eine
Ventilanordnung eines Verbrennungsmotors aufweisen. 1 stellt
eine beispielhafte Motorventilanordnung 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Das Motorventil 12 weist einen stabförmigen Ventilschaft 20 auf,
der eine Ventilspitze 22 und einen Ventilkopf 24 miteinander
verbindet. Der Ventilschaft 20 kann einstückig mit
dem Ventilkopf 24 und der Ventilspitze 22 gebildet
sein. Der Ventilschaft 20 umfasst ebenfalls eine ringförmige Nut 30 benachbart
zu der Ventilspitze 22.
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Das
Ventil 12 kann aus einem oder mehr Basismetallen gebildet
werden. Die Metalle können
ausgewählt
werden, je nach dem, ob das Ventil 12 ein Einlass- oder
ein Auslassventil ist. Im Allgemeinen kann ein rostfreier Stahl
verwendet werden, um ein Auslassventil zu bilden, während ein
kohlenstoffhaltiger bzw. Karbonstahl verwendet werden kann, um ein
Einlassventil zu bilden.
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Ein
Beispiel eines rostfreien Stahls, der verwendet werden kann, um
ein Auslassventil zu bilden ist rostfreier Stahl AISI Nr. 21-2 PH.
Ein Beispiel eines Karbonstahls, der das Einlassventil bilden kann,
ist Karbonstahl AISI Nr. 1541.
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Andere
Metalle, die in der Technik für
Ventilbildung bekannt sind, können
verwendet werden um das Ventil oder zumindest einen Teil des Ventils 12 der
vorliegenden Erfindung zu bilden. Zum Beispiel kann AISI Nr. 4140
Stahl verwendet werden, um die Ventilspitze 22 gemäß der vorliegenden
Erfindung zu bilden.
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Das
Ventil 12 kann in einer Ventilführung 30 eines Motorblocks 32 positioniert
sein. Der Ventilschaft 20 erstreckt sich durch die Ventilführung 30 und
ist betätigbar,
um sich relativ zu der Ventilführung 30 hin
und her zu bewegen. Eine Ventilfeder 34 erstreckt sich
um den Ventilschaft 20 herum. Die Ventilfeder 34 steht
mit einer Federrückhaltevorrichtung 36 in
Eingriff, die in der Nut 30 befestigt ist. Die Federrückhaltevorrichtung 36 überträgt den Druck
von der Feder 34 auf den Ventilkopf 24, um das
Ventil 12 zu einer geschlossenen Position gegen einen Ventilsitz 40 zu
drücken.
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Ein
Ventilstößel 50 steht
in Eingriff mit der Ventilspitze 22. Eine Verschiebung
des Ventilstößels 50 bewirkt,
dass der Ventilkopf 24 von dem Ventilsitz 40 innerhalb
des Motorzylinders zu einer offenen Position verschoben wird. Der
Druck von der Feder 34 kann den Ventilkopf 24 zwingen
wieder aufzusetzen.
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Ebenfalls
mit Bezug auf 2 besitzt der Ventilkopf 24 allgemein
eine Scheibenform und umfasst eine ringförmige Außenoberfläche 60. Die ringförmige Außenoberfläche 60 ist
abgeschrägt,
um eine ringförmige Ventilstirnfläche 62 zu
bilden, die während
der Bewegung des Ventils 12 in Eingriff mit dem Ventilsitz 40 steht.
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Die
Ventilstirnfläche 62 umfasst
eine Hartbeschichtung, die an das Basismetall der Ventilstirnfläche 62 fusionsgebondet
ist. Die Hartbeschichtung wird durch Auftragen der austenitischen
auf Eisen basierende Legierung der Vorliegenden Erfindung auf das
Basismetall der Ventilstirnfläche 62 gebildet.
Eine Hartbeschichtung, die aus der austenitischen auf Eisen basierende
Legierung der vorliegenden Erfindung gebildet ist, besitzt eine
höhere
Warmhärte,
Korrosionsbeständigkeit
und Verschleißbeständigkeit
als das Basismetall des Ventils 12 und kann die maximale
Warmhärte,
den maximalen Korrosionswiderstand, den maximalen Verschleißwiderstand
und die Betriebsdauer des Ventils 12 wesentlich verbessern.
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Die
austenitische auf Eisen basierende Legierung kann auf das Basismetall
der Ventilstirnfläche 62 aufgebracht
werden unter Verwendung eines Auftragschweißprozesses, um eine Hartauftragschweißung zu bilden.
Beispiele für
Auftragschweißprozesse,
die verwendet werden können,
um die austenitische auf Eisen basierende Legierung aufzutragen,
umfassen SMAW-Schweißen
(SMAW = Shielded Metal Arc Welding), Schweißen mit offenem Lichtbogen
bzw. Open-Arc-Schweißen,
Metallschutzgasschweißen,
Wolfram-Inertgasschweißen,
PTA-Schweißen
(PTA = Plasma-Transferred-Arc), autogenes Schweißen und Laserschweißen.
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3 ist
ein schematisches Flussdiagramm, das ein Verfahren 100 zur
Bildung einer Hartbeschichtung auf eine Ventilstirnfläche eines
Motorventils unter Verwendung eines Auftragschweißprozesses
darstellt. In dem Verfahren ist bei 110 ein Motorventil
vorgesehen. Das Motorventil kann beispielsweise durch Warmschmieden
oder Kaltverformung eines Metalls, wie zum Beispiel eines rostfreien
Stahls, eines Karbonstahls oder eines Stahls mit niedrigem Kohlenstoffgehalt,
in die Form eines Motorventils, wie zum Beispiel des Motorventils,
das mit Bezug auf 1 gezeigt und beschrieben wurde,
geformt werden.
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Bei 120 ist
eine austenitische auf Eisen basierende Legierung gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen. In einem Aspekt der Erfindung kann die austenitische
auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig Folgendes umfassen: ungefähr 0,25%
bis ungefähr
0,9% Kohlenstoff, ungefähr
1,5% bis ungefähr
3,5% Bor, ungefähr
1% bis ungefähr
2% Silizium, mindestens ungefähr
20% Chrom, eine Menge an Mangan, die wirksam ist, um die auf Eisen
basierende Legierung mit einer austenitischen Struktur zu versehen,
und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die austenitische auf Eisen
basierende Legierung gewichtsmäßig Folgendes
umfassen: ungefähr
0,25% bis ungefähr
0,9% Kohlenstoff, ungefähr
1,5% bis ungefähr
3,5% Bor, ungefähr
1% bis ungefähr
2% Silizium, mindestens ungefähr
18% Mangan, mindestens ungefähr
20% Chrom und den Restbetrag; der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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In
noch einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die austenitische
auf Eisen basierende Legierung gewichtsmäßig ungefähr Folgendes umfassen: ungefähr 0,25%
bis ungefähr
0,9% Kohlenstoff, ungefähr
1,5% bis ungefähr
3,5% Bor, ungefähr
1% bis ungefähr
2% Silizium, mindestens ungefähr
18% bis ungefähr
30% Mangan, mindestens ungefähr
20% bis ungefähr
35% Chrom und den Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die austenitische auf Eisen
basierende Legierung gewichtsmäßig im Wesentlichen
aus dem Folgenden bestehen: ungefähr 0,25% bis ungefähr 0,9%
Kohlenstoff, ungefähr
1,5% bis ungefähr
3,5% Bor, ungefähr
1% bis ungefähr
2% Silizium, ungefähr
18% bis ungefähr
30% Mangan, ungefähr
20% bis ungefähr
35% Chrom und dem Rest, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
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Die
austenitische auf Eisen basierende Legierung kann in verschiedenen
Formen, wie zum Beispiel als eine Gussstange, als Draht oder als
ein Pulver vorgesehen sein. Die spezifische Form, in der die auf
Eisen basierende Legierung vorgesehen wird, wird von dem spezifischen
Schweißprozess
abhängen,
der verwendet wird, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung
auf der Ventilstirnfläche
aufzutragen. Wo beispielsweise Plasmalichtbogenschweißen verwendet
wird, um die austenitische auf Eisen basierende Legie rung anzubringen,
kann die austenitische auf Eisen basierende Legierung in Form von
Pulver vorgesehen sein. Im Gegensatz dazu kann, wo SMAW-Schweißen verwendet
wird, um die austenitische auf Eisen basierende Legierung auf die
Ventilstirnfläche
aufzutragen, die austenitische auf Eisen basierende Legierung in
Form einer Gussstange oder eines Drahtes vorgesehen sein.
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Bei 130 kann
die vorgesehene austenitische auf Eisen basierende Legierung auf
die Ventilstirnfläche durch
Verwendung eines konventionellen Schweißprozesses, wie zum Beispiel
Lichtbogenschweißen
(z.B. Plasma-Pulver bzw. PTA) SMAW und Wolfram-Inert-Gas), autogenes
Schweißen
und Laserschweißen.
Beispielweise kann ein Pulver der austenitischen auf Eisen basierende
Legierung auf die Ventilstirnfläche
plasmageschweißt
werden unter Verwendung eines inerten Schutzgases (z.B. Ar) oder
einer Mischung aus inerten Schutzgasen (z.B. Ar und N).
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Die
austenitische auf Eisen basierende Legierung, die auf die Ventilstirnfläche durch
Schweißen
aufgetragen wird, kann mit dem Basismetall verschmelzen, das die
Ventilstirnfläche
bildet. Als eine Folge der Verschmelzung und des speziellen Schweißprozesses
wird die Zusammensetzung der verschmolzenen austenitischen auf Eisen
basierende Legierung, die die Hartauftragsschweißung bildet, leicht unterschiedlich
sein zu der Zusammensetzung der austenitischen auf Eisen basierende
Legierung vor dem Schweißen.
Wenn beispielsweise ein Stickstoffschutzgas während des Schweißens verwendet
wird, kann der Gewichtsprozentsatz des Stickstoffes in der Hartauftragsschweißung potentiell
größer sein
als der Gewichtsprozentsatz des Stickstoffs in der vorgesehenen
austenitischen auf Eisen basierende Legierung. Ferner können zumindest
einige der Elemente in dem Basismetall potentiell in die Hartauftragschweißlegierung
diffundieren, um die Zusammensetzung der Schweißauflage leicht zu modifizieren.
Zumindest Teile der Zusammensetzung der austenitischen auf Eisen
basierende Legierung werden daher von den speziellen Prozessen abhängig sein,
die verwendet werden, um die Legierung und die spezielle Zusammensetzung
der Schweißung
anzubringen.
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Optional
kann nachfolgend auf das Schweißen
der austenitischen auf Eisen basierende Legierung auf das Ventil
die so gebildete Hartauftragschweißung zusätzlichen Prozessen unterworfen
werden, um die Endoberflächen
und die mechanischen Eigenschaften der Hartbeschichtung zu modifizieren.
Zum Beispiel kann die Hartbeschichtung maschinell bzw. spanend bearbeitet
oder abgeschliffen werden, um die Endoberfläche der Hartbeschichtung zu
verbessern. Überdies
kann die Hartbeschichtung zum Spannungsabbau angelassen bzw. getempert
werden, um die mechanischen Eigenschaften (z.B. Festigkeit und Härte) der
Hartbeschichtung zu verbessern. Zusätzlich kann die Hartbeschichtung
nitriert werden, um die Härte
der Hartbeschichtung zu modifizieren. Es wird erkannt werden, dass
noch andere Prozesse verwendet werden können, um weiterhin auf die
Eigenschaften der Hartbeschichtung einzuwirken.
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Das
folgende Beispiel ist eingeschlossen, um verschiedene Aspekte der
Erfindung darzustellen. Fachleute sollten im Hinblick auf die vorliegende
Offenbarung erkennen, das viele Veränderungen in den spezifischen
Aspekten, die offenbart sind, gemacht werden können, und dennoch ein gleiches
oder ähnliches
Ergebnis erreicht wird, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung
abzuweichen.
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BEISPIELE
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Proben
einer austenitischen auf Eisen basierenden Legierung sind vorgesehen,
die im Wesentlichen gewichtsmäßig aus
Folgendem bestehen: ungefähr
0,5% Kohlenstoff, ungefähr
1,5% bis ungefähr
3,5% Bor, ungefähr
1% bis ungefähr
2% Silizium, ungefähr
18% bis ungefähr
30% Mangan, ungefähr
20% bis ungefähr 35%
Chrom und dem Restbetrag, der Eisen und zufällige Verunreinigungen umfasst.
Die Proben umfassen ebenfalls 0,2% Stickstoff, um Stickstoffverdünnung von
einem Basismetall während
eines Schweißprozesses zu
simulieren.
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Die
Vickershärte
(HV10) von jeder Probe (Beispiele 1–15) im Gusszustand wurde gemäß ASTM E18 und
DIN 50133 gemessen. Die Härte
(HV10) von jeder Probe wurde dann nach Alterung oder Wärmebehandlung
der Proben bei 600°C
für verschiedene
Zeitdauern gemessen. Mikroskopische Aufnahmen der Kristallstruktur
der Proben der Legierung im Gusszustand und nach Alterung bei 600°C für verschiedene
Zeitdauern wurden ebenfalls erhalten.
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Die
600°C simuliert
die maximal erwartete Temperatur einer Ventilsitzfläche während der
Wartung. Die Härtemessung
im Gusszustand und die Härtemessung
gealtert oder wärmebehandelt
für jede
Probe zu den verschiedenen Einwirkungszeiten wurden in der folgenden
Tabelle verglichen. TABELLE VICKERSHÄRTE
| Beispiel | Härte der
Legierung im Gusszustand | Einwirkungsstunden
von 600°C | Härte nach
der Einwirkung von 600°C |
| 1 | 447 | 8 | 459 |
| 2 | 444 | 24 | 450 |
| 3 | 450 | 48 | 450 |
| 4 | 450 | 72 | 446 |
| 5 | 436 | 96 | 442 |
| 6 | 445 | 168 | 451 |
| 7 | 500 | 192 | 497 |
| 8 | 504 | 336 | 504 |
| 9 | 501 | 408 | 516 |
| 10 | 513 | 504 | 509 |
| 11 | 492 | 600 | 512 |
| 12 | 516 | 696 | 505 |
| 13 | 500 | 792 | 505 |
| 14 | 505 | 936 | 519 |
| 15 | 498 | 1008 | 523 |
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Die
Tabelle zeigt, dass Alterung der Proben bei 600°C für unterschiedliche Zeitdauern
nicht die Härte der
Proben ungünstig
beeinflusst und dass die Här te
der Legierung über
die 1000 Stunden Grenze hinaus stabil bleibt. Tatsächlich hatten
die Proben, die über
längere
Zeitdauern hinweg gealtert wurden (Beispiel 14), im Wesentlichen
die gleiche Differenz in der Härte
(im Gusszustand zur Härte
nach der Einwirkung) wie Proben, die über eine kürzere Zeitdauer (Beispiel 1)
gealtert wurden. Dieses Verhalten ist für eine Legierung mit relativ niedrigem
Kohlenstoffgehalt (z.B. 0,5%) einzigartig. Zusätzlich ist das Härteniveau,
das durch die Einwirkung von 600°C
erreicht wird, bemerkenswert, verglichen mit der Härte von
auf Kobalt basierenden Stellit-Legierungen. Auf Kobalt basierende
Stellit-Legierungen besitzen eine Härte im Bereich von 420 HV bis
480 HV und benötigen
einen viel höheren
Kohlenstoffgehalt, um ihre Härte
beizubehalten.
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4 und 5 zeigen
mikroskopische Aufnahmen der Kristallstruktur einer ersten Probe
und einer zweiten Probe einer auf Eisen basierenden Legierung im
Gusszustand und nach Wärmebehandlung
bei 600°C für jeweils
100 Stunden und 1000 Stunden. Der Vergleich mikroskopischer Aufnahmen
im Gusszustand und nach der Einwirkung jeder Probe zeigt, dass die
Mikrostruktur der auf Eisen basierenden Legierung nicht nach 100
Stunden und nach 1000 Stunden zerfällt. Das Fehlen des Zerfalls
der auf Eisen basierenden Legierung nach der Alterung über 1000
Stunden qualifiziert diese Legierung sowohl für Anwendungen mit geringer
Beanspruchung als auch für
Anwendungen mit hoher Beanspruchung. Typische Motortestdauern betragen 300–500 Stunden
für ein
Automobil und 1000 Stunden für
einen Schwerlastwagen.
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Aus
der obigen Beschreibung der Erfindung werden Fachleute Verbesserungen,
Veränderungen
und Modifikationen entnehmen. Solche Verbesserungen, Veränderungen
und Modifikationen innerhalb des Fachkönnens sollen durch die angehängten Ansprüche abgedeckt
werden.