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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein aus einer Titanlegierung gebildetes
Ventil für
eine Brennkraftmaschine, das für
einen Verbrennungsmotor wie beispielsweise eine Brennkraftmaschine
für ein
Kraftfahrzeug verwendet wird.
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Bisher
wurde zum Verbessern eines Leistungsvermögens einer Brennkraftmaschine
das Erhöhen
einer Motordrehzahl versucht. Das größte Hindernis zum Erhöhen der
zulässigen
Motordrehzahl ist ein Anstieg der trägen Masse eines Ventilsystems. Mit
anderen Worten bewirkt der Anstieg der trägen Masse des Ventilsystems
ein Absinken eines Nachfolgevermögens
eines Ventils einer Brennkraftmaschine bezüglich eines Nockens, wenn die
Drehzahl der Brennkraftmaschine größer wird, was in einem Absinken
einer Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine oder dergleichen resultieren
kann. Deshalb ist zum Erzielen der Erhöhung der Motordrehzahl eine Reduzierung
der trägen
Masse des Ventilsystems wichtig. Insbesondere ist eine Reduzierung
des Gewichts der Ventile von Brennkraftmaschinen wie beispielsweise
eines Lufteinlassventils oder eines Auslassventils, die eine große Masse
in den Komponenten des Ventilsystems einnehmen, für die Erhöhung der
Motordrehzahl extrem effektiv.
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Deshalb
wurde zuletzt zum Reduzieren des Gewichts des Ventils einer Brennkraftmaschine
ein Versuch gemacht, ein Ventil einer Brennkraftmaschine anstelle
aus einem warmfesten Stahl, der im Stand der Technik benutzt wird,
aus einer Titanlegierung zu machen, die von niedrigem Gewicht und
hoher Festigkeit ist. Zum Beispiel ist in Patentdokument 1 eine
Technik zum Herstellen eines aus einer Titanlegierung gebildeten
Ventils einer Brennkraftmaschine, das einen Schaftabschnitt und
einen Kegelabschnitt enthält,
die integral miteinander durch Warmschmieden gebildet sind, offenbart.
Insbesondere wird in Patentdokument 1 ein Verfahren zum Formen eines
Kegelabschnitts, der aus einem nadelartigen α-Gefüge an einem Ende des Schaftabschnitts
gebildet ist, durch Formen eines Abschnitts vergrößerten Durchmessers
an einem Ende des aus einem gleichgerichteten α-Gefüge gebildeten Schaftabschnitts
bei einer Temperatur über
einem β-Umwandlungspunkt und
dann sofort Warmschmieden des Abschnitts vergrößerten Durchmessers vorgeschlagen.
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Patentdokument
1:
JP-A-2001-234313 .
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Bei
dem im oben beschriebenen Patentdokument 1 beschriebenen Herstellungsverfahren
wird der Abschnitt vergrößerten Durchmessers,
der in das nadelartige Gefüge
geformt wird, durch Stauchschmieden des Endes eines schaftförmigen Elements
mit einem elektrischen Stauchgerät
und dann sofortiges Schmieden des Abschnitts vergrößerten Durchmessers
gebildet. Deshalb gibt es solche Probleme, dass am Abschnitt vergrößerten Durchmessers
zur Zeit des Stauchens leicht eine Schrumpfung auftreten kann und
Schmiedefehler wie beispielsweise Schrumpfung, Spaltung oder eingeschleppte
Verschmutzungen beim Schmieden des Abschnitts vergrößerten Durchmessers
auch am gebildeten Kegelabschnitt leicht auftreten können.
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Bei
dem durch dieses Herstellungsverfahren hergestellten Ventil einer
Brennkraftmaschine kann, da eine Grenze zwischen dem oben beschriebenen nadelartigen
Gefüge
und dem gleichgerichteten Gefüge
an einer Grenze (Halsabschnitt) zwischen dem Schaftabschnitt und
dem Kegelabschnitt gebildet wird, wo durch seine Form eine Beanspruchung
intensiv ausgeübt
wird, ein Problem auftreten, beispielsweise dass die Festigkeit
am Halsabschnitt erniedrigt ist. Um die Festigkeit des Halsabschnitts
zu sichern, wo eine Beanspruchung intensiv ausgeübt wird, ist eine Gegenmaßnahme wie
beispielsweise ein Vergrößern des
Durchmessers des Halsabschnitts notwendig. Jedoch resultiert dies
in einem Gewichtsanstieg des Ventils einer Brennkraftmaschine.
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Außerdem wird
bei dem Herstellungsverfahren des Ventils einer Brennkraftmaschine,
da eine Positionsgenauigkeit der Grenze zwischen dem nadelartigen
Gefüge
und dem gleichgerichteten Gefüge nicht
hoch ist, eine Festigkeitsvariation der Komponenten des hergestellten
Ventils einer Brennkraftmaschine erhöht.
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Deshalb
wird die Erfindung in Anbetracht solcher Umstände im Stand der Technik vorgeschlagen und
es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein aus einer Titanlegierung gebildetes
Ventil einer Brennkraftmaschine vorzusehen, das eine weitere Verbesserung der
Zuverlässigkeit
und Produktivität
ermöglicht,
wobei eine Kriechfestigkeit und eine Dauerfestigkeit bei einer hohen
Temperatur verbessert werden.
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Als
Lösungsmaßname der
oben beschriebenen Probleme ist die Erfindung gemäß Anspruch
1 ein Ventil einer Brennkraftmaschine, das einen Schaftabschnitt
und einen an einem Ende des Schaftabschnitts vorgesehenen Kegelabschnitt
enthält,
die integral aus einer Titanlegierung gebildet sind, wobei ein Teil
vom Kegelabschnitt zu einem Mittelabschnitt des Schaftabschnitts
hauptsächlich
aus einem nadelartigen Gefüge
gebildet ist, ein Teil vom Mittelabschnitt zum anderen Ende des
Schaftabschnitts hauptsächlich
aus einem gleichgerichteten Gefüge
gebildet ist und eine Grenze zwischen dem nadelartigen Gefüge und dem
gleichgerichteten Gefüge
in einem Bereich einer Gleitbewegung einer Ventilführung zur
Gleitführung
des Schaftabschnitts vorgesehen ist.
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Bei
dieser Anordnung wird durch Vorsehen der Grenze zwischen dem nadelartigen
Gefüge
und dem gleichgerichteten Gefüge
in einem Bereich einer Gleitbewegung, der relativ zur Ventilführung des Schaftabschnitts
verschoben wird, verhindert, dass auf den Grenzabschnitt intensiv
die Beanspruchung ausgeübt
wird, wodurch eine Verbesserung der Zuverlässigkeit erreicht wird.
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Durch
Formen des Schaftabschnitts hauptsächlich aus dem gleichgerichteten
Gefüge
und des Kegelabschnitts hauptsächlich
aus dem nadelartigen Gefüge
können
die Kriechfestigkeit und die Dauerfestigkeit bei einer hohen Temperatur,
die für
das Ventil einer Brennkraftmaschine gefordert werden, weiter verbessert
werden.
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Die
Erfindung gemäß Anspruch
2 ist das Ventil einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das nadelartige Gefüge durch Warmschmieden einer
Titanlegierung, die hauptsächlich
aus dem gleichgerichteten Gefüge
gebildet ist, bei einer Temperatur nicht über einem β-Umwandlungspunkt, um den Kegelabschnitt
an einem Ende des Schaftabschnitts zu formen, und Erwärmen eines
Teils vom Kegelabschnitt zum Mittelabschnitt des Schaftabschnitts
mit einer hohen Frequenz bei einer Temperatur über dem β-Umwandlungspunkt gebildet wird.
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Bei
dieser Anordnung kann, da die hauptsächlich aus dem gleichgerichteten
Gefüge
gebildete Titanlegierung geschmiedet wird, um den Kegelabschnitt
an einem Ende des Schaftabschnitts zu formen, bevor der Kegelabschnitt
in das nadelartige Gefüge
umgewandelt wird, das Ventil einer Brennkraftmaschine einfach bearbeitet
und geformt werden.
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Durch
Erwärmen
des Teils vom Kegelabschnitt zum Mittelabschnitt des Schaftabschnitts
mit einer hohen Frequenz kann die Grenze zwischen dem nadelartigen
Gefüge
und dem gleichgerichteten Gefüge
einfach zu einer gewünschten
Position gesetzt werden. Deshalb können Variationen der Festigkeit
der Komponenten des hergestellten Ventils einer Brennkraftmaschine
beschränkt
werden.
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Wie
oben beschrieben, kann man gemäß der Erfindung
das leichte und kostengünstige
Ventil einer Brennkraftmaschine aus einer Titanlegierung erhalten,
bei dem die Zuverlässigkeit
und Produktivität weiter
verbessert sind, wobei eine Verbesserung der Kriechfestigkeit und
Dauerfestigkeit bei einer hohen Temperatur erzielt werden.
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Zylinderkopfes.
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2 ist
eine Draufsicht eines Ventils einer Brennkraftmaschine.
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3 ist
eine mikrophotographische Aufnahme eines nadelartigen Gefüges einer
Titanlegierung.
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4 ist
eine mikrophotographische Aufnahme eines gleichgerichteten Gefüges einer
Titanlegierung.
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5 ist
eine Prozessdarstellung eines Herstellungsprozesses des Ventils
einer Brennkraftmaschine in einem Beispiel.
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6 ist
eine Zeichnung mechanischer Eigenschaften zwischen dem gleichgerichteten
Gefüge und
dem nadelartigen Gefüge
des Ventils einer Brennkraftmaschine im Beispiel.
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Bezug
nehmend nun auf die Zeichnungen wird ein Ventil einer Brennkraftmaschine,
auf das die Erfindung angewendet ist, im Detail beschrieben.
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Zum
Beispiel wird zuerst ein in 1 dargestellter
Zylinderkopf 50 beschrieben, der ein Ventilsystem einer
Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor) bildet.
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Der
Zylinderkopf 50 ist mit einer Lufteinlassöffnung 51 und
einer Auslassöffnung 52 versehen, die
mit einer Brennkammer eines Zylinderblocks (nicht dargestellt) in
Verbindung stehen. Ein Luft/Kraftstoff-Gasgemisch wird durch die
Lufteinlassöffnung 51 in
die Brennkammer gesaugt, während Abgas
in der Brennkammer nach der Verbrennung aus der Auslassöffnung 52 ausgegeben
wird. Zwischen der Lufteinlassöffnung 51 und
der Auslassöffnung 52 des
Zylinderkopfes 50 ist eine Zündkerze 53 befestigt,
die in die Brennkammer ragt.
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Der
Zylinderkopf 50 ist mit einem Lufteinlassventil 54 und
einem Auslassventil 55 zum Öffnen und Schließen der Öffnungen
der Lufteinlassöffnung 51 und
der Auslassöffnung 52 auf
der Seite der daran montierten Brennkammer versehen. Das Ventil
der Brennkraftmaschine, auf das die Erfindung angewendet ist, wird
vorzugsweise für
eines oder beide Elemente des Lufteinlassventils 54 und
des Auslassventils 55 verwendet. Deshalb werden in der
nachfolgenden Beschreibung das Lufteinlassventil 54 und
das Auslassventil 55 gemeinsam als ein Ventil einer Brennkraftmaschine 1 beschrieben,
das in 2 dargestellt ist.
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Das
Ventil einer Brennkraftmaschine 1 enthält einen Schaftabschnitt (Ventilschaft) 2 und
einen an einem Ende des Schaftabschnitts 2 vorgesehen Kegelabschnitt 3,
wie in 2 dargestellt. Eine ringförmige Splintnut 4 ist
am anderen Ende (Ventilende) des Schaftabschnitts 2 ausgebildet.
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Das
Lufteinlassventil 54 und das Auslassventil 55,
die wie oben beschrieben das Ventil einer Brennkraftmaschine 1 bilden,
können
durch Einsetzen der Schaftabschnitte 2 in Bohrungen 56a von
in den Zylinderkopf 50 eingepassten Ventilführungen 56 in
der senkrechten Richtung (der Richtung zum Öffnen und Schließen der
Ventile 54, 55) gleiten, wie in 1 dargestellt.
Ventilsitze 57, mit denen die Kegelabschnitte 3 des
Lufteinlassventils 54 und des Auslassventils 55 in
Anlage gebracht werden, sind an den Öffnungen der Lufteinlassöffnung 51 bzw.
der Auslassöffnung 52 auf
der Seite der Brennkammer befestigt. Andererseits sind die Kegelabschnitte 3 des
Ventils einer Brennkraftmaschine 1 mit Dichtflächenabschnitten 3a versehen,
die hermetisch mit den Ventilsitzen 57 in Kontakt kommen.
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Der
Zylinderkopf 50 ist mit Ventilfedern 58 zum Drücken des
Lufteinlassventils 54 und des Auslassventils 55 nach
oben (in die Richtung zum Schließen der Ventile 54, 55)
versehen. Die Ventilfedern 58 sind in einem komprimierten
Zustand zwischen den Sitzflächen 59 auf
der Seite des Zylinderkopfes 50 und Ventilhalterungen 60,
die an oberen Enden des Schafabschnitts 2 des Lufteinlassventils 54 und
des Auslassventils 55 befestigt sind, angeordnet. Die Ventilhalterungen 60 sind
an den oberen Enden der Schaftabschnitte 2 durch in die
Splintnuten 4 eingepasste Splinte 61 so befestigt,
dass sie sich nicht davon lösen.
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Ventilstößel 62 sind
an oberen Enden des Lufteinlassventils 54 bzw. des Auslassventils 55 befestigt.
Nockenwellen (nicht dargestellt) auf der Lufteinlassseite und der
Auslassseite sind über
den Ventilstößeln 62 drehbar
vorgesehen. Die Nockenwellen auf der Lufteinlassseite und der Auslassseite
haben Nocken, die mit den Ventilstößeln 62 auf der Lufteinlassseite
bzw. der Auslassseite in Anlage kommen und die Ventilstößel 62 gegen
eine Druckkraft der Ventilfedern 58 der Bewegung der drehenden
Nocken nach unten drücken.
Demgemäß öffnen und schließen das
Lufteinlassventil 51 und das Auslassventil 52 die Öffnungen
der Lufteinlassöffnung 51 bzw.
der Auslassöffnung 52 auf
der Seite der Brennkammer zu vorbestimmten Takten.
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Das
Ventil einer Brennkraftmaschine 1, auf das die Erfindung
angewendet ist, enthält
den Schaftabschnitt 2 und den Kegelabschnitt 3,
die integral aus einer Titanlegierung gebildet sind.
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Die
Titanlegierung, die verwendet werden kann, enthält zum Beispiel Ti-6Al-2Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0,2Si oder Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo,
Ti-2,7Sn-4Zr-0,4Mo-0,45Si, Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-72SiCN als α + β-Typ, beinahe α-Typ und α-Typ und
ist nicht speziell darauf beschränkt,
sofern es eine Titanlegierung ist, auf die die Erfindung angewendet
werden kann. Um eine Verschleißfestigkeit,
eine Biegefestigkeit und dergleichen der Titanlegierung zu verbessern,
kann zum Beispiel auch eine Titanlegierung, die darin verteilte harte
Partikel, wie beispielsweise TiB (Titanborid) enthält, benutzt
werden.
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Um
die Verschleißfestigkeit
der Titanlegierung zu verbessern, wird das Ventil einer Brennkraftmaschine 1 in
einer Atmosphäre
mit Sauerstoff (bei einer Temperatur unter einem β-Umwandlungspunkt) wärmebehandelt,
sodass an einer Oberfläche
des Ventils einer Brennkraftmaschine 1 eine OD (Sauerstoffdiffusions) – Behandlung
erfolgen kann. Außerdem
kann die Oberfläche
des Ventils einer Brennkraftmaschine 1 zum Beispiel nitriert
oder durch einen Plasmaabbindeprozess abgebunden werden und kann
auch durch ein Ionenmetallisierungsverfahren mit CrN, TiN und dergleichen
mit Metall überzogen
werden.
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Das
Ventil einer Brennkraftmaschine 1, auf das die Erfindung
angewendet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass, wie in 1 und 2 dargestellt,
ein Teil vom Kegelabschnitt 3 zu einem Mittelabschnitt
des Schaftabschnitts 2 hauptsächlich aus einem nadelartigen
Gefüge
gebildet ist, wie in 3 dargestellt, ein Teil vom
Mittelabschnitt zum anderen Ende des Schaftabschnitts 2 hauptsächlich aus
einem gleichgerichteten Gefüge
gebildet ist, wie in 4 dargestellt, und eine Grenze
B zwischen dem nadelartigen Gefüge
und dem gleichgerichteten Gefüge
in einem Bereich einer Gleitbewegung T der Ventilführung 56 zur
Gleitführung
des Schaftabschnitts 2 vorgesehen ist.
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Genauer
enthält
der Schaftabschnitt 2 des Ventils einer Brennkraftmaschine 1 einen
Bereich S, der relativ zur Ventilführung 56 verschoben
wird, der sich aus einem Bereich Scl, der im Bereich der Gleitbewegung
T der Ventilführung 56 positioniert
ist, wenn das Ventil geschlossen ist, und einem Bereich Sop, der
im Bereich der Gleitbewegung T der Ventilführung 56 positioniert
ist, wenn das Ventil geöffnet ist,
zusammengesetzt ist. Der Bereich der Gleitbewegung T der Ventilführung 56 ist
ein Bereich der mit einem Loch 56a ausgebildeten Ventilführung 56 und die
oben beschriebene Grenze B zwischen dem nadelartigen Gefüge und dem
gleichgerichteten Gefüge ist
vorzugsweise in dem Bereich Scl vorgesehen, der im Bereich der Gleitbewegung
T der Ventilführung 56 positioniert
ist, zumindest wenn das Ventil geschlossen ist.
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Demgemäß kann verhindert
werden, dass bei dem Ventil einer Brennkraftmaschine 1 auf
die Grenze B zwischen dem nadelartigen Gefüge und dem gleichgerichteten
Gefüge
eine intensive Belastung ausgeübt
wird. Mit anderen Worten kann, indem vermieden wird, dass die oben
beschriebene Grenze B zwischen dem nadelartigen Gefüge und dem gleichgerichteten
Gefüge
an einer Grenze (Halsabschnitt) N zwischen dem Schaftabschnitt 2 und
dem Kegelabschnitt 3 positioniert ist, wo aufgrund der Form
des Ventils einer Brennkraftmaschine 1 leicht eine Belastung
intensiv ausgeübt
wird, verhindert werden, dass die Festigkeit des Ventils einer Brennkraftmaschine 1 am
Halsabschnitt N, wo die Beanspruchung intensiv ausgeübt wird,
sinkt.
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Die
Grenze B zwischen dem nadelartigen Gefüge und dem gleichgerichteten
Gefüge
ist vorzugsweise in einem Bereich S' vorgesehen, wo der im Bereich der Gleitbewegung
T der Ventilführung 56 positionierte
Bereich Scl, wenn das Ventil geschlossen ist, und der im Bereich
der Gleitbewegung T der Ventilführung 56 positionierte
Bereich Sop, wenn das Ventil geöffnet
ist, überlappen.
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In
diesem Fall ist die Grenze B zwischen dem nadelartigen Gefüge und dem
gleichgerichteten Gefüge
konstant in dem Bereich der Gleitbewegung T der Ventilführung 56 positioniert,
wenn das Ventil geöffnet
und geschlossen ist. Da in diesem Fall keine Scherbelastung auf
die Grenze B zwischen dem nadelartigen Gefüge und dem gleichgerichteten
Gefüge ausgeübt wird,
können
Zuverlässigkeit
und Haltbarkeit des Ventils einer Brennkraftmaschine 1 weiter verbessert
werden.
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Das
Ventil einer Brennkraftmaschine 1, auf das die Erfindung
angewendet ist, kann in Kriechfestigkeit und Dauerfestigkeit bei
einer hohen Temperatur, was für
dieses Ventil einer Brennkraftmaschine 1 gefordert wird,
durch Formen des Schaftabschnitts 2 aus dem gleichgerichteten
Gefüge
und des Kegelabschnitts 3 aus dem nadelartigen Gefüge verbessert werden.
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Allgemein
hat eine Titanlegierung eine starke Gefügeabhängigkeit als Materialeigenschaft
und die Kriechfestigkeit wird verbessert, wenn sie aus dem nadelartigen
Gefüge
gebildet wird. Andererseits werden, wenn sie aus dem gleichgerichteten
Gefüge
gebildet wird, die Schmiedefähigkeit
und die Dauerfestigkeit verbessert. Deshalb werden die Kriechfestigkeit
und die Dauerfestigkeit bei einer hohen Tem peratur, die für das Ventil
einer Brennkraftmaschine 1 gefordert werden, beide durch
Formen des Schaftabschnitts 2 aus dem gleichgerichteten
Gefüge
und des Kegelabschnitts 3 aus dem nadelartigen Gefüge erreicht.
Insbesondere wird die gewünschte
Kriechfestigkeit des Kegelabschnitts 3 bei einer hohen
Temperatur (700°C
oder höher),
was ein wichtiges Ergebnis des Auslassventils 55 ist, erzielt.
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In
der Erfindung wird auch das Vorsehen der oben beschriebenen Grenze
B zwischen dem nadelartigen Gefüge
und dem gleichgerichteten Gefüge
in einem Bereich, der im Bereich der Gleitbewegung T der Ventilführung 56 nur
dann positioniert ist, wenn das Ventil geöffnet ist (Bereich von Sop
bis S') betrachtet.
In diesem Fall wird jedoch im Schaftabschnitt 2 des Ventils
einer Brennkraftmaschine 1 die Größe des aus dem nadelartigen
Gefüge
gebildeten Bereich vergrößert und
im Gegensatz dazu wird der Bereich des gleichgerichteten Gefüges mit
einer kleineren Gleitfestigkeit bezüglich der Ventilführung 56 als
das nadelartige Gefüge
verkleinert. Deshalb ergibt sich eine Verringerung der Gleiteigenschaft
des Ventils einer Brennkraftmaschine 1.
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Aus
diesen Gründen
wird auch im Bereich S', der
vorzugsweise zum Vorsehen der oben beschriebenen Grenze B angenommen
wird, das Verhältnis des
gleichgerichteten Gefüges
im Bereich S, der bezüglich
der Ventilführung 56 des
Schaftabschnitts 2 verschoben wird, durch Vorsehen der
Grenze B auf der Seite des Kegelabschnitts 3 im Bereich
S' vergrößert, sodass
die Gleitbarkeit des Ventils einer Brennkraftmaschine 1 verbessert
werden kann. Die Grenze B kann in einem Bereich auf der Oberseite
des Halsabschnitts N, d.h. in einem Bereich zwischen dem Ende des
Bereichs S auf der Seite des Kegelabschnitts 3 und dem
Halsabschnitt N, wo die Beanspruchung intensiv ausgeübt wird,
wenn der Bereich S, der relativ zur Ventilführung 56 des Schaftabschnitts 2 verschoben
wird, ganz aus dem gleichgerichteten Gefüge gebildet ist, vorgesehen
werden, sodass die Gleitbarkeit des Ventils einer Brennkraftmaschine 1 weiter
verbessert wird.
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Nachfolgend
wird ein Herstellungsverfahren des Ventils einer Brennkraftmaschine 1,
auf das die Erfindung angewendet ist, beschrieben.
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Das
Herstellungsverfahren des Ventils einer Brennkraftmaschine 1,
auf das die Erfindung angewendet ist, ist dadurch gekennzeichnet,
dass eine aus dem gleich gerichteten Gefüge gebildete Titanlegierung
bei einer Temperatur warmgeschmiedet wird, die den β-Umwandlungspunkt
nicht übersteigt,
um an einem Ende des Schaftabschnitts 2 den Kegelabschnitt 3 zu
formen, dann der Kegelabschnitt 3 bei einer hohen Frequenz
vom Kegelabschnitt 3 zum Mittelabschnitt des Schaftabschnitts 2 bei
einer Temperatur über
dem β-Umwandlungspunkt
erwärmt
wird, um den erwärmten
Abschnitt in das nadelartige Gefüge
umzuwandeln.
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Da
bei diesem Verfahren der Kegelabschnitt 3 an einem Ende
des Schaftabschnitts 2 durch Schmieden der aus dem nadelartigen
Gefüge
gebildeten Titanlegierung vor einem Umwandeln des Kegelabschnitts 3 in
das nadelartige Gefüge
geformt wird, können
eine Materialbearbeitung und Formung des Ventils einer Brennkraftmaschine 1 vereinfacht werden.
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Auch
kann die Grenze B zwischen dem nadelartigen Gefüge und dem gleichgerichteten
Gefüge durch
Erwärmen
des Teils vom Kegelabschnitt 3 zum Mittelabschnitt des
Schaftabschnitts 2 bei einer hohen Frequenz einfach zu
einer gewünschten
Position eingestellt werden.
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Demgemäß kann eine
Variation der Festigkeit der Komponenten des hergestellten Ventils
einer Brennkraftmaschine 1 beschränkt werden und daher kann die
Produktivität
verbessert werden.
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Wie
oben beschrieben, kann man gemäß der Erfindung
das leichte und kostengünstige
Ventil einer Brennkraftmaschine 1 aus einer Titanlegierung
erhalten, bei welchem Zuverlässigkeit
und Produktivität weiter
verbessert sind, während
eine Verbesserung der Kriechfestigkeit und der Dauerfestigkeit bei
einer hohen Temperatur erzielt werden.
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(Beispiel)
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Die
Wirkung der Erfindung wird durch die nachfolgend dargestellten Beispiele
klarer. Die Erfindung ist nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt und
kann gegebenenfalls durch Modifizieren realisiert werden, sofern
der Schutzumfang der Erfindung nicht geändert wird.
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In
diesem Beispiel wird das Ventil einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung über einen Stabelementsbildungsschritt
S1, einen Schmiedeschritt S2, einen Wärmebehandlungsschritt 53,
einen Materialbearbeitungsschritt S4 und einen Oxidierungsschritt
S5 hergestellt, wie in 5 dargestellt.
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Von
diesen Schritten wurde im Stabelementbildungsschritt S1 ein aus
einer Titanlegierung gebildetes Stabelement in eine vorbestimmte
Länge geschnitten
und ein Stabelement wurde gefertigt, das schließlich in das Ventil einer Brennkraftmaschine geformt
wird. Als Titanlegierung wurde Ti-5,8Al-4Sn-3,5Zr-0,7Nb-0,5Mo-0,35Si
verwendet. Dies ist eine Titanlegierung eines α + β-Typs mit dem gleichgerichteten
Gefüge.
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Im
Schmiedeschritt S2 wurde ein Ende des Stabelements bei einer Temperatur
niedriger als der β-Umwandlungspunkt
(1045°C)
warmgeschmiedet, der Kegelabschnitt wurde an einem Ende des Stabelements,
das als Schaftabschnitt dient, gebildet, und dann wurde ein Glühen zum
Korrigieren einer Verformung durchgeführt.
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Im
Wärmebehandlungsschritt
S3 wird durch Anwenden einer Hochfrequenzerwärmung auf den Teil vom Kegelabschnitt
zum Mittelabschnitt des Schaftabschnitts bei einer Temperatur über dem β-Umwandlungspunkt
(1045°C)
der erwärmte
Teil in das nadelartige Gefüge
umgewandelt.
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Im
Materialbearbeitungsschritt S4 wurden der Schaftabschnitt und der
Kegelabschnitt durch Schneide- und Schleifvorgänge in eine endgültige Form
endbearbeitet.
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Im
Oxidierungsschritt S5 wurde er in der Umgebungsatmosphäre wärmebehandelt,
um die Sauerstoffdiffusions- (OD-) Behandlung auf seine Oberfläche anzuwenden.
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Messergebnisse
der mechanischen Eigenschaften des Schaftabschnitts mit dem gleichgerichteten
Gefüge
und des Kegelabschnitts mit dem nadelartigen Gefüge des wie oben beschrieben
hergestellten Ventils einer Brennkraftmaschine sind in 6 dargestellt.
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Von
den jeweiligen in 6 dargestellten Diagrammen zeigt
(a) eine Bruchdehnung, zeigt (b) eine Kerbschlagzähigkeit,
zeigt (c) eine Hochtemperatur-Dauerfestigkeit vor einer Sauerstoffdiffusionsbehandlung
und zeigt (d) eine Hochtemperatur-Dauerfestigkeit nach der Sauerstoffdiffusionsbehandlung.
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Wie
aus den in 6 dargestellten Messergebnissen
erkennbar, hat der Schaftabschnitt mit dem gleichgerichteten Gefüge eine
größere Bruchdehnung
und größere Kerbschlagzähigkeit
als der Kegelabschnitt mit dem nadelartigen Gefüge. Es ist auch ersichtlich,
dass sich die Hochtemperatur-Dauerfestigkeit im Kegelabschnitt mit
dem nadelartigen Gefüge
nicht signifikant verändert,
aber im Schaftabschnitt mit dem gleichgerichteten Gefüge relativ
geringer als der Kegelabschnitt mit dem nadelartigen Gefüge ist,
indem die Sauerstoffdiffusionsbehandlung durchgeführt wird.
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Bei
dem Ventil einer Brennkraftmaschine in diesem Beispiel wird durch
Vorsehen der Grenze zwischen dem nadelartigen Gefüge und dem
gleichgerichteten Gefüge
im Bereich der Gleitbewegung T, der relativ zur Ventilführung des
Schaftabschnitts verschoben wird, verhindert, dass die Beanspruchung
intensiv auf die Grenze ausgeübt
wird, und daher wird eine Verbesserung der Zuverlässigkeit
erreicht.
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Da
der Kegelabschnitt an einem Ende des Schaftabschnitts durch Warmschmieden
der Titanlegierung mit dem gleichgerichteten Gefüge vor dem Umwandeln des Kegelabschnitts
in das nadelartige Gefüge
durch die Hochfrequenzerwärmung
geformt wird, werden Materialbearbeitung und Formung des Ventils
einer Brennkraftmaschine vereinfacht. Außerdem kann, da das Stauchen
der Grenze zwischen dem nadelartigen Gefüge und dem gleichgerichteten Gefüge einfach
ist, die Produktivität
verbessert werden.
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Durch
Formen des Schaftabschnitts des gleichgerichteten Gefüges und
des Kegelabschnitts des nadelartigen Gefüges können die Kriechfestigkeit und
die Dauerfestigkeit bei einer hohen Temperatur, die für das Ventil
einer Brennkraftmaschine erforderlich sind, weiter verbessert werden.
Insbesondere kann durch die Verbesserung der Kriechfestigkeit des
Kegelabschnitts die Verformungsgrenze des Kegelabschnitts deutlich
erhöht
werden. Ebenso kann die Haltbarkeit für den Splint oder die Beilagscheibe
auf der Seite eines Schaftendes des Schaftabschnitts verbessert
werden.
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- 1
- Ventil
einer Brennkraftmaschine
- 2
- Schaftabschnitt
- 3
- Kegelabschnitt
- 54
- Lufteinlassventil
- 55
- Auslassventil
- 56
- Ventilführung