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WO2004048756A1 - Ventilsitz und verfahren zur herstellung eines ventilsitzes - Google Patents

Ventilsitz und verfahren zur herstellung eines ventilsitzes Download PDF

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Publication number
WO2004048756A1
WO2004048756A1 PCT/EP2003/011615 EP0311615W WO2004048756A1 WO 2004048756 A1 WO2004048756 A1 WO 2004048756A1 EP 0311615 W EP0311615 W EP 0311615W WO 2004048756 A1 WO2004048756 A1 WO 2004048756A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cylinder head
valve seat
inner layer
alloy
outer layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2003/011615
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reiner Heigl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Priority to US10/536,682 priority Critical patent/US20060162686A1/en
Priority to JP2004554288A priority patent/JP2006516313A/ja
Priority to EP03811739A priority patent/EP1565646A1/de
Publication of WO2004048756A1 publication Critical patent/WO2004048756A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00—Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02—Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • F01L3/04—Coated valve members or valve-seats
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/49298—Poppet or I.C. engine valve or valve seat making
    • Y10T29/49306—Valve seat making

Definitions

  • the invention relates to a valve seat for a cylinder head of an internal combustion engine as defined in the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for producing a valve seat for a cylinder head of an internal combustion engine as defined in the preamble of claim 10.
  • DE 199 12 889 AI describes a generic valve seat and a generic method for producing the same.
  • An additional material namely an alloy or a mixture of an aluminum-silicon alloy and nickel, is fused to the base material of the cylinder head by a laser beam.
  • DE 199 12 894 A1 describes a method for coating the surface of metal workpieces with a filler material in powder or wire form. Another such method is known from EP 00 92 683 B1.
  • the base material of the cylinder head consists essentially of aluminum and as an additional material for forming the valve seat either iron or nickel or an alloy with one of these two metals is used as the main component.
  • the disadvantage here is that iron and nickel have a much higher melting point than the cylinder head made of aluminum. This can lead to the fact that when a laser beam is applied, the cylinder head may already have melted when the additional material only begins to melt. It can also happen that the previously liquid iron has already solidified while the aluminum is still in the form of a melt. This leads to the formation of intermetallic phases in the border area between iron and aluminum material, which can result in a very brittle structure. It is therefore difficult to achieve a homogeneous connection between the valve seat to be created and the base material of the cylinder head, the different surface tensions of the materials also playing an important role here.
  • EP 02 28 282 B1 describes a cylinder head consisting of an aluminum alloy.
  • the valve seats of this cylinder head are made of a plated copper alloy layer.
  • a method for surface coating of light metal components, in particular light metal pistons of internal combustion engines, with a strength-increasing and / or wear-resistant filler material is apparent from DE 22 00 003 AI.
  • valve seat is to be fused with the base material of the cylinder head as an additional material
  • this additional material has both the adhesion to the base material of the cylinder head and the strength properties for absorbing the forces introduced by the gas exchange valve and the tribological properties for minimizing wear must ensure on the surface of the valve seat.
  • the very different tasks that the valve seat has to fulfill can advantageously be divided.
  • the inner layer facing the cylinder head can take over the task of connecting the valve seat to the base material of the cylinder head, and the outer layer facing away from the cylinder head can be designed so that it has good strength and wear properties for the valve seat.
  • the inner layer has good heat conduction properties points, the heat dissipation from the valve seat surface into the cylinder head is advantageously improved in that the air gap between the valve seat and the cylinder head is avoided by the melt-metallurgical connection.
  • the inner layer has copper or a copper alloy, since just such a material combines with the aluminum material of the cylinder head.
  • the outer layer prevents the copper material of the inner layer from coming into contact with sulfur-containing fuel or exhaust gas constituents and can thus worsen the emission values.
  • the outer layer has nickel, iron and / or cobalt or an alloy with at least one of these materials. These materials have proven to be particularly hard and wear-resistant and have a very high strength. Another advantage of these materials is the good connectivity with the copper material of the inner layer that may be used.
  • the at least two layers according to the invention can be connected to the base material of the cylinder head in a particularly simple and process-reliable manner, the advantageous properties of the valve seat explained above being retained.
  • a process that is particularly efficient in terms of production technology results if the inner layer is placed on the cylinder head in the form of a fixed ring and the outer right layer in powder form is applied to the inner layer.
  • FIG. 1 shows a section through an inventive valve seat for a cylinder head of an internal combustion engine.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows part of a cylinder head 1 of an internal combustion engine, not shown in its entirety.
  • the cylinder head 1 has, in a manner known per se, an inlet duct 2 which can be closed or opened by a gas exchange valve 3.
  • a fuel / air mixture can enter the combustion chamber 4 in a manner known per se and is located below the cylinder head 1.
  • the cylinder head 1 also has a valve seat 5, against which the gas exchange valve 3 rests in its closed state and in this way separates the inlet duct 2 from the combustion chamber 4.
  • FIG. 1 shows part of a cylinder head 1 of an internal combustion engine, not shown in its entirety.
  • the cylinder head 1 has, in a manner known per se, an inlet duct 2 which can be closed or opened by a gas exchange valve 3.
  • a fuel / air mixture can enter the combustion chamber 4 in a manner known per se and is located below the cylinder head 1.
  • the cylinder head 1 also has a valve seat 5, against which the gas exchange valve 3 rests in its
  • valve seat 5 has two formed of respective additional material layers 6 and 7, namely a lower or inner, the Zy ⁇ linder head 1 facing layer 6 and an upper or outer, the cylinder head 1 facing away from and Layer 7 facing gas exchange valve 3.
  • Inner layer 6 serves to connect valve seat 5 to cylinder head 1 and therefore has good connection properties to the base material of cylinder head 1.
  • the cylinder head 1 in the present case consists of a light metal, in particular aluminum
  • copper or a copper alloy is used for the inner layer 6, since this material has a particularly good affinity for aluminum.
  • the alloy CuAlio, ie a copper alloy with 10 percent by weight aluminum the inner layer 6 is well bonded to the material of the cylinder head 1.
  • Iron has also proven to be a suitable alloy component for the inner layer.
  • pure copper can also be used for the inner layer 6.
  • the inner layer 6 In addition to the good connection properties to the base material of the cylinder head 1, the inner layer 6 also has good heat conduction properties in order to achieve an improvement in heat dissipation from the surface of the valve seat 5 into the cylinder head 1.
  • the air-gap between the valve seat 5 and the cylinder head 1 is avoided by the melting metallurgical application.
  • the thermal conductivity of copper at 20 ° C is approx. 350 - 400 W / mK
  • that of aluminum at 20 ° C is approx. 200 - 250 W / mK
  • that of the alloy used for the inner layer 6 at 20 ° C. approx. 200-400 W / mK the thermal conductivity of copper at 20 ° C is approx. 350 - 400 W / mK
  • that of aluminum at 20 ° C is approx. 200 - 250 W / mK
  • the alloy used for the inner layer 6 at 20 ° C. approx. 200-400 W / mK.
  • nickel, iron and / or cobalt or an alloy with at least one of these materials is preferably used for the same.
  • a material may have a tendency to form intermetallic phases when it is connected to the aluminum of the cylinder head 1, which could lead to cracking, the outer layer 7 is not connected to the cylinder head 1 due to the presence of the inner layer 6, so that such intermetallic phases do not occur.
  • Chromium, silicon and molybdenum have proven to be particularly suitable as further alloy constituents for the material of the outer layer 7.
  • Some alloys that can be used for the outer layer 7 are given below by way of example, wherein in addition to the three elements mentioned above, other elements are also used as further alloy components: Co25Crl0Ni7W0.5C, Co28Mo8Cr2Si, Co28Mol7Cr3Si, Nil7Cr6A10.5Y, Ni22CrlOAll .0Y, Ni25Cr6A10.4Y, Ni31CrllA10.6Y, Ni23Co20Cr8.5A14Ta0.6Y, Nil5Cr4Si3Fe3B0.75C, Ni21.5Cr8.5Mo3Fe0.5Co, Nil9Crl8Fe3MolColTi or Ni8.5Cr3T2A15M2C2Ti.
  • this list makes no claim to completeness and materials used in commercially available valve seat rings can be used.
  • Layers 6 and 7 are made of other materials which ensure that the inner layer 6 has good bonding properties to the base material of the cylinder head 1 and the outer layer 7 has good strength and wear properties.
  • FIGS. 2 and 3 show two different methods for producing the valve seat 5 by fusing the additional materials specified above with the cylinder head 1, only the attachment of the inner layer 6 on the cylinder head 1 being shown in each case.
  • a nozzle 8 is arranged in the region of the valve seat 5 to be formed, which nozzle 8 outputs the additional material for forming the inner layer 6 in the direction of the cylinder head 1.
  • the additional material hits the cylinder head 1 or in a groove formed in the same, it is melted simultaneously by the process of a laser beam 9 together with the outer layer of the base material of the cylinder head 1 in order to produce a melt 10 on the cylinder head 1.
  • the machining pre-processing is coordinated with the coating process.
  • the use of an electron beam (not shown) or a suitable device is also possible as an energy source in order to generate the melt 10 from the additional material 7 by applying or introducing energy.
  • the additional material 7 is applied in powder form, application as a tape also being possible.
  • the nozzle 8 and the laser beam 9 are continuously moved in a circular movement corresponding to the contour of the valve seat 5.
  • the laser beam 9 moves away from the melt 10 in the feed direction according to arrow A. has solidified to the inner layer 6. This is a so-called one-step process.
  • Fig. 3 shows an alternative method for producing the valve seat 5, in which the additional material, for example in the form of a paste, a wire, a sintered body or a powder preform, preferably placed in a ring shape in a groove of the cylinder head 1 or applied to it and then with the same Laser beam 9 or an electron beam is melted into the melt 10.
  • the inner layer 6 of the valve seat 5 arises from the melt 10 after the removal of the laser beam 9 in the direction of arrow A.
  • This method is referred to as a two-stage process.
  • the outer layer 7 can be applied in a very similar manner in both methods, which of course is not fused to the cylinder head 1 but to the inner layer 6.
  • a combination of these two methods is also possible, in which, for example, the inner layer 6 is placed on the cylinder head 1 in the form of a ring and the outer layer 7 can then be connected in powder form to the inner layer 6.
  • Fig. 4 shows in a very schematic representation another way to carry out the method for manufacturing the valve seat 5.

Landscapes

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Abstract

Ein Ventilsitz (5) für einen Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine, weist ein mit dem Basismaterial des Zylinderkopfes verschmolzenes Zusatzmaterial auf. Das Zusatzmaterial weist wenigstens zwei übereinanderliegende Schichten auf, wobei die dem Zylinderkopf zugewandte, innere Schicht (6) gute Verbindungseigenschaften zu dem Basismaterial des Zylinderkopfes aufweist, und wobei die dem Zylinderkopf abgewandte, äussere Schicht (7) gute Festigkeits- und Verschleisseigenschaften aufweist.

Description

Ventilsitz und Verfahren zur Herstellung eines Ventilsit- zes
Die Erfindung betrifft einen Ventilsitz für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 naher definierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine nach der im Oberbegriff von Anspruch 10 naher definierten Art.
Die DE 199 12 889 AI beschreibt einen gattungsgemaßen Ventilsitz und ein gattungsgemaßes Verfahren zur Herstellung desselben. Dabei wird ein Zusatzmaterial, nämlich eine Legierung oder ein Gemisch aus einer Aluminium- Silizium-Legierung und Nickel, durch einen Laserstrahl mit dem Basismaterial des Zylinderkopfes verschmolzen.
Aus der DE 35 17 077 Cl ist ein Verfahren zum Panzern der Ventilsitzflache eines Gaswechselventils bekannt, bei welchem in eine umlaufende Vertiefung am Ventilteller vorzugsweise aus einer Nickel- bzw. Kobaltbasis- Superlegierung bestehendes Panzermaterial eingebracht wird.
Ein Verfahren zur Beschichtung der Oberflache von metallenen Werkstucken mit einem pulver- oder drahtformig vorliegenden Zusatzwerkstoff beschreibt die DE 199 12 894 AI. Ein weiteres derartiges Verfahren ist aus der EP 00 92 683 Bl bekannt. Das Basismaterial des Zylinderkopfes besteht dabei im wesentlichen aus Aluminium und als Zusatzmaterial zur Bildung des Ventilsitzes wird entweder Eisen oder Nickel bzw. eine Legierung mit einem dieser beiden Metalle als Hauptbestandteil verwendet.
Hierbei ist nachteilig, dass Eisen und Nickel einen wesentlich höheren Schmelzpunkt als der aus Aluminium bestehende Zylinderkopf aufweisen. Dies kann dazu fuhren, dass bei der Beaufschlagung mit einem Laserstrahl der Zylinderkopf bereits geschmolzen sein kann, wenn das Zusatzmaterial erst zu schmelzen beginnt. Außerdem kann es passieren, dass das zuvor flussige Eisen bereits erstarrt ist, wahrend das Aluminium noch als Schmelze vorliegt. Dies fuhrt zur Bildung von intermetallischen Phasen im Grenzbereich zwischen Eisen- und Aluminiumwerkstoff, was ein sehr sprödes Gefuge zur Folge haben kann. Deshalb ist es schwierig, eine homogene Verbindung zwischen dem zu schaffenden Ventilsitz und dem Basismaterial des Zylinderkopfes zu erreichen, wobei hier auch die unterschiedlichen Oberflachenspannungen der Materialien eine große Rolle spielen.
Einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinderkopf beschreibt die EP 02 28 282 Bl . Die Ventilsitze dieses Zylinderkopfes sind aus einer aufplattierten Kupferlegierungsschicht ausgebildet.
Wenn Kupfer als Material für Ventilsitze verwendet wird, entsteht jedoch insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen der Nachteil, dass der im Dieselkraftstoff enthaltene Schwefel das Kupfer angreift, wodurch Probleme hinsichtlich Abgasentwicklung und Korrosion entstehen. Die Verwendung von Kupfer für Ventilsitze ist somit nur für Ot- tobrennkraftmaschinen sinnvoll und kann daher nicht in wirtschaftlicher Art und Weise eingesetzt werden.
In der DE 196 39 480 AI ist ein Verfahren zur Innenbe- schichtung von Zylinderlaufflachen mittels pulverformiger Zusatzstoffe, die durch Laserstrahlung auflegiert werden, beschrieben.
Ein Verfahren zur Oberflachenvergutung von Leichtmetallbauteilen, insbesondere von Leichtmetallkolben von Brennkraftmaschinen, mit einem festigkeitssteigernden und/oder verschleißfesten Zusatzwerkstoff geht aus der DE 22 00 003 AI hervor.
Zum weiteren Stand der Technik bezuglich Ventilsitzen für Brennkraftmaschinen und Verfahren zu deren Herstellung wird außerdem auf die folgenden Schriften verwiesen: US 4,059,876, JP 05256190 A, JP 07284970 A, JP 08047787 A, JP 08224680 A, JP 08224681 A, JP 08224682 A, JP 08224683 A, JP 10141132 A, JP 10176511 A, JP 11002154 A, EP 02 09 366 AI, US 4,723,518, JP 02196117 A, JP 04123885 A, JP 06042320 A und JP 08174245 A.
Wenn der Ventilsitz als Zusatzmaterial mit dem Basismaterial des Zylinderkopfes verschmolzen werden soll, so besteht regelmäßig das Problem, dass dieses Zusatzmaterial sowohl die Haftung zum Basismaterial des Zylinderkopfes als auch die Festigkeitseigenschaften zur Aufnahme der durch das Gaswechselventil eingeleiteten Kräfte und die tribologischen Eigenschaften zur Minimierung des Verschleißes an der Oberflache des Ventilsitzes sicherstellen muss. Dies legt sehr komplexe Randbedingungen für die Auswahl der Werkstoffe fest, was sich im Stand der Technik durch die unterschiedlichsten Vorschlage zur Verwendung bestimmter Werkstoffe niederschlagt. Bisher war jedoch keine Losung derart überzeugend, dass sie das seit langem in der Praxis verwendete Einpressen der Ventilsitzringe ersetzen konnte.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ventilsitz für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, der sowohl eine gute Haftung zum Basismaterial des Zylinderkopfes als auch gute Festigkeits- und Verschleißeigenschaften aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die erfindungsgemäßen zwei übereinander liegenden Schichten kann vorteilhafterweise eine Aufteilung der sehr unterschiedlichen Aufgaben, die der Ventilsitz zu erfüllen hat, vorgenommen werden. So kann erfindungsgemäß die innere, dem Zylinderkopf zugewandte Schicht die Aufgabe der Verbindung des Ventilsitzes mit dem Basismaterial des Zylinderkopfes übernehmen und die äußere, dem Zylinderkopf abgewandte Schicht kann so ausgeführt werden, dass sie gute Festigkeits- und Verschleißeigenschaften für den Ventilsitz aufweist.
Damit wird vorteilhafterweise die Haftung des Ventilsitzes an dem Zylinderkopf verbessert, was ein Ablösen des gesamten Ventilsitzes von dem Zylinderkopf verhindert. Dennoch sind aufgrund der Ausgestaltung der äußeren Schicht höhere Belastungen bei geringeren Verschleißraten am erfindungsgemäßen Ventilsitz möglich. Insgesamt ergibt sich auf diese Weise ein erheblich erweitertes Werkstoffspektrum, insbesondere auch im Hinblick auf die unterschiedlichen Anforderungen von Otto- und Diesel- Brennkraftmaschinen .
Wenn in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die innere Schicht gute Wärmeleitungseigenschaften auf- weist, so wird vorteilhafterweise die Wärmeableitung aus der Ventilsitzoberflache in den Zylinderkopf verbessert, indem durch die schmelzmetallurgische Anbindung der Luftspalt zwischen dem Ventilsitz und dem Zylinderkopf vermieden wird.
Insbesondere bei Zylinderkopfen aus Aluminium hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die innere Schicht Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist, da sich gerade ein solcher Werkstoff mit dem Aluminiummaterial des Zylinderkopfes verbindet. Durch die äußere Schicht wird in diesem Zusammenhang verhindert, dass das Kupfermaterial der inneren Schicht mit schwefelhaltigen Kraftstoff- bzw. Abgasbestandteilen in Verbindung kommen und so die Emissionswerte verschlechtern kann.
Des weiteren kann vorgesehen sein, dass die äußere Schicht Nickel, Eisen und/oder Kobalt oder eine Legierung mit wenigstens einem dieser Materialien aufweist. Diese Werkstoffe haben sich als besonders hart und verschleißfest herausgestellt und weisen dabei eine sehr hohe Festigkeit auf. Ein weiterer Vorteil dieser Werkstoffe ist die gute Verbindbarkeit mit dem gegebenenfalls verwendeten Kupfermaterial der inneren Schicht.
Eine verfahrensgemaße Losung ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruches 10.
Mittels dieses sequentiellen Verfahrens lassen sich die erfindungsgemaß wenigstens zwei Schichten besonders einfach und prozesssicher mit dem Basismaterial des Zylinderkopfes verbinden, wobei die oben erläuterten vorteilhaften Eigenschaften des Ventilsitzes erhalten bleiben.
Ein fertigungstechnisch besonders rationelles Verfahren ergibt sich, wenn die innere Schicht in Form eines festen Ringes auf den Zylinderkopf aufgelegt wird, und die auße- re Schicht in Pulverform auf die innere Schicht aufgebracht wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteran- spruchen sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmaßig dargestellten Ausfuhrungsbeispielen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemaßen Ventilsitz für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine;
Fig. 2 eine Ausfuhrungsform zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens;
Fig. 3 eine weitere Ausfuhrungsform zur Durchfuhrung des erfindungsgemaßen Verfahrens; und
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemaßen Verfahrens .
Fig. 1 zeigt einen Teil eines Zylinderkopfes 1 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Der Zylinderkopf 1 weist in an sich bekannter Weise einen Einlasskanal 2 auf, welcher durch ein Gaswechselventil 3 verschlossen bzw. geöffnet werden kann. Bei geöffnetem Gaswechselventil 3 kann in an sich bekannter Weise ein Kraftstoff/Luft-Gemisch aus dem Einlasskanal 2 in einen Brennraum 4 eintreten, der sich unterhalb des Zylinderkopfes 1 befindet. Der Zylinderkopf 1 weist des weiteren einen Ventilsitz 5 auf, an dem das Gaswechselventil 3 in seinem geschlossenen Zustand anliegt und auf diese Weise den Einlasskanal 2 von dem Brennraum 4 trennt. Wie ebenfalls aus Fig. 1 erkennbar, weist der Ventilsitz 5 zwei aus jeweiligen Zusatzmaterialien gebildete Schichten 6 und 7 auf, namlich eine untere bzw. innere, dem Zy¬ linderkopf 1 zugewandte Schicht 6 und eine obere bzw. äußere, dem Zylinderkopf 1 abgewandte und dem Gaswechselventil 3 zugewandte Schicht 7. Die innere Schicht 6 dient dabei zum Verbinden des Ventilsitzes 5 mit dem Zylinderkopf 1 und weist daher gute Verbindungseigenschaften zu dem Basismaterial des Zylinderkopfes 1 auf. Die äußere Schicht 7 dagegen besitzt gute Festigkeits- und Verschleißeigenschaften, um die durch das Gaswechselventil 3 auf den Ventilsitz 5 einwirkenden Kräfte aufnehmen zu können.
Da der Zylinderkopf 1 im vorliegenden Fall aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, besteht, wird für die innere Schicht 6 Kupfer oder eine Kupferlegierung verwendet, da dieses Material eine besonders gute Affinitat zu Aluminium aufweist. Hierbei ergibt sich insbesondere bei der Verwendung der Legierung CuAlio, also einer Kupferlegierung mit 10 Gewichtsprozent Aluminium, eine gute Anbmdung der inneren Schicht 6 an das Material des Zylinderkopfes 1. Als weiterer Legierungsbestandteil für die innere Schicht hat sich außerdem Eisen als gut geeignet erwiesen. Jedoch kann auch reines Kupfer für die innere Schicht 6 verwendet werden.
Die innere Schicht 6 weist zusatzlich zu den guten Verbindungseigenschaften zu dem Basismaterial des Zylinderkopfes 1 des weiteren gute Warmeleitungseigenschaften auf, um eine Verbesserung der Wärmeableitung aus der 0- berflache des Ventilsitzes 5 in den Zylinderkopf 1 zu erreichen. Durch die schmelzmetallurgische Anbmdung wird namlich der Luftspalt zwischen dem Ventilsitz 5 und dem Zylinderkopf 1 vermieden. In diesem Zusammenhang betragt die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer bei 20 °C ca. 350 - 400 W/m-K, diejenige von Aluminium bei 20 °C ca. 200 - 250 W/m-K und diejenige der für die innere Schicht 6 verwendeten Legierung bei 20 °C ca. 200 - 400 W/m-K.
Um die notwendigen Festigkeits- und Verschleiß- bzw. Har- teeigenschaften der äußeren Schicht 7 zu erreichen, wird für dieselbe vorzugsweise Nickel, Eisen und/oder Kobalt bzw. eine Legierung mit wenigstens einer dieser Materialien verwendet. Ein derartiges Material wurde zwar bei seiner Verbindung mit dem Aluminium des Zylinderkopfes 1 unter Umstanden zur Bildung von intermetallischen Phasen neigen, die zu Rissbildungen fuhren konnten, aufgrund des Vorhandenseins der inneren Schicht 6 wird die äußere Schicht 7 jedoch nicht mit dem Zylinderkopf 1 verbunden, so dass derartige intermetallische Phasen nicht auftreten.
Als weitere Legierungsbestandteile für das Material der äußeren Schicht 7 haben sich insbesondere Chrom, Silizium und Molybdän als besonders gut geeignet erwiesen. Nachfolgend sind beispielhaft einige Legierungen angegeben, die für die äußere Schicht 7 verwendet werden können, wobei außer den drei oben genannten Elementen auch noch weitere Elemente als weitere Legierungsbestandteile verwendet werden: Co25Crl0Ni7W0.5C, Co28Mo8Cr2Si, Co28Mol7Cr3Si, Nil7Cr6A10.5Y, Ni22CrlOAll .0Y, Ni25Cr6A10.4Y, Ni31CrllA10.6Y, Ni23Co20Cr8.5A14Ta0.6Y, Nil5Cr4Si3Fe3B0.75C, Ni21.5Cr8.5Mo3Fe0.5Co, Nil9Crl8Fe3MolColTi oder Ni8.5Cr7A15Mo2Si2B2Fe3Ti02. Selbstverständlich erhebt diese Auflistung keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit und es können bei handelsüblichen Ventilsitzringen verwendete Werkstoffe eingesetzt werden. Die Werkstoffauswahl hangt unter anderem auch davon ab, ob der Zylinderkopf 1 bei einer Otto- oder einer Dieselbrennkraftmaschine eingesetzt wird.
Falls für den Zylinderkopf 1 andere Materialien zum Einsatz kommen, können selbstverständlich auch die beiden Schichten 6 und 7 aus anderen Materialien bestehen, die sicherstellen, dass die innere Schicht 6 gute Verbindungseigenschaften zu dem Basismaterial des Zylinderkopfes 1 und die äußere Schicht 7 gute Festigkeits- und Verschleißeigenschaften aufweist.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen zwei unterschiedliche Verfahren zur Herstellung des Ventilsitzes 5 durch Verschmelzen der oben angegebenen Zusatzmaterialien mit dem Zylinderkopf 1, wobei jeweils lediglich das Anbringen der inneren Schicht 6 auf dem Zylinderkopf 1 dargestellt ist.
Bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 2 ist im Bereich des zu bildenden Ventilsitzes 5 eine Düse 8 angeordnet, welche das Zusatzmaterial zur Bildung der inneren Schicht 6 in Richtung des Zylinderkopfs 1 ausgibt. Sobald das Zusatzmaterial auf dem Zylinderkopf 1 bzw. in einer in demselben gebildeten Nut auftrifft, wird es prozesssimultan von einem Laserstrahl 9 zusammen mit der äußeren Schicht des Basismaterials des Zylinderkopfs 1 aufgeschmolzen, um an dem Zylinderkopf 1 eine Schmelze 10 zu erzeugen. Bei der Herstellung der Nut wird die zerspanende Vorbearbeitung auf den Beschichtungsprozess abgestimmt. Statt des beschriebenen Laserstrahls 9 ist als Energiequelle auch der Einsatz eines nicht dargestellten Elektronenstrahls oder einer geeigneten Einrichtung möglich, um aus dem Zusatzmaterial 7 durch Auf- bzw. Einbringen von Energie die Schmelze 10 zu erzeugen. Das Zusatzmaterial 7 wird hierbei in Pulverform aufgebracht, wobei auch eine Aufbringung als Band möglich ist.
Um einen fortschreitenden Prozess zu erreichen, werden die Düse 8 und der Laserstrahl 9 standig in einer der Kontur des Ventilsitzes 5 entsprechenden Kreisbewegung weiterbewegt. Wenn sich der Laserstrahl 9 in Vorschubrichtung gemäß dem Pfeil A von der Schmelze 10 entfernt hat, erstarrt diese zu der inneren Schicht 6. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten einstufigen Prozess.
Fig. 3 zeigt ein alternatives Verfahren zur Herstellung des Ventilsitzes 5, bei welchem das Zusatzmaterial beispielsweise in Form einer Paste, eines Drahtes, eines Sinterkorpers oder eines Pulverpreformlings vorzugsweise in Ringform in eine Nut des Zylinderkopfes 1 eingelegt bzw. auf denselben aufgebracht und anschließend mit dem Laserstrahl 9 bzw. einem Elektronenstrahl zu der Schmelze 10 aufgeschmolzen wird. Auch in diesem Fall entsteht aus der Schmelze 10 nach der Entfernung des Laserstrahls 9 in Pfeilrichtung A die innere Schicht 6 des Ventilsitzes 5. Dieses Verfahren wird als zweistufiger Prozess bezeichnet .
Die äußere Schicht 7 kann bei beiden Verfahren in sehr ahnlicher Weise aufgebracht werden, wobei diese selbstverständlich nicht mit dem Zylinderkopf 1 sondern mit der inneren Schicht 6 verschmolzen wird. Auch eine Kombination dieser beiden Verfahren ist möglich, bei welcher beispielsweise die innere Schicht 6 in Form eines Ringes auf den Zylinderkopf 1 aufgelegt und anschließend die äußere Schicht 7 in Pulverform mit der inneren Schicht 6 verbunden werden kann.
Fig. 4 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine weitere Möglichkeit zur Durchfuhrung des Verfahrens zur Herstellung des Ventilsitzes 5. Hierbei sind zwei Laserbzw. Elektronenstrahlen 9 und 9' vorgesehen, von denen der erste Laserstrahl 9 für die Verbindung der inneren Schicht 6 mit dem Zylinderkopf 1 sorgt und der zweite Laserstrahl 91 für die Verbindung der äußeren Schicht 7 mit der inneren Schicht 6 zustandig ist. Da die Schmelze 10 der inneren Schicht 6 bereits nach wenigen Millimetern der Entfernung des Laserstrahls 9 in Richtung des Pfeils A erstarrt ist, kann der zweite Laserstrahl 9' dem ersten -Il¬
Laserstrahl 9 in einem relativ geringen Abstand nachfolgen, so dass das gesamte Verfahren zur Herstellung des Ventilsitzes 5 nur geringfügig mehr Zeit in Anspruch nimmt, als wenn der Ventilsitz 5 lediglich aus einer Schicht bestehen wurde. Dieses Verfahren lasst sich vorteilhaft durchfuhren, wenn die äußere Schicht 7 in Pulverform aufgebracht wird, wobei das Material für die innere Schicht 6 in einer Weise wie oben beschrieben aufgebracht werden kann.

Claims

Patentanspruche
1. Ventilsitz für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, welcher ein mit dem Basismaterial des Zylinderkopfes verschmolzenes Zusatzmaterial aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Zusatzmaterial wenigstens zwei ubereinander- liegende Schichten (6,7) aufweist, wobei die dem Zylinderkopf (1) zugewandte, innere Schicht (6) gute Verbindungseigenschaften zu dem Basismaterial des Zylinderkopfes (1) aufweist, und wobei die dem Zylinderkopf (1) abgewandte, äußere Schicht (7) gute Festigkeits- und Verschleißeigenschaften aufweist.
2. Ventilsitz nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die innere Schicht (6) gute Warmeleitungseigen- schaften aufweist.
3. Ventilsitz nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die innere Schicht (6) Kupfer oder eine Kupferlegierung aufweist.
4. Ventilsitz nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kupferlegierung als Legierungsbestandteil A- luminium aufweist.
5. Ventilsitz nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kupferlegierung als Legierungsbestandteil Eisen aufweist.
6. Ventilsitz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die äußere Schicht (7) Nickel, Eisen und/oder Kobalt oder eine Legierung mit wenigstens einem dieser Materialien aufweist.
7. Ventilsitz nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nickel-, Eisen- und/oder Kobaltlegierung als Legierungsbestandteil Chrom aufweist.
8. Ventilsitz nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nickel-, Eisen- und/oder Kobaltlegierung als Legierungsbestandteil Silizium aufweist.
9. Ventilsitz nach Anspruch 6, 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Nickel-, Eisen- und/oder Kobaltlegierung als Legierungsbestandteil Molybdän aufweist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem durch Einbringung von Energie das Zusatzmaterial an derjenigen Stelle mit dem Zylinderkopf verschmolzen wird, an welchem der Ventilsitz gebildet werden soll, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass nach der Verschmelzung der inneren Schicht (6) mit dem Basismaterial des Zylinderkopfes (1) die äußere Schicht (7) mit der inneren Schicht (6) durch Einbringung von Energie verschmolzen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Zusatzmaterial mittels eines Laserstrahls (9,9') mit dem Zylinderkopf (1) verschmolzen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Zusatzmaterial mittels eines Elektronenstrahls mit dem Zylinderkopf (1) verschmolzen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die innere Schicht (6) in Form eines festen Ringes auf den Zylinderkopf (1) aufgelegt wird, und dass die äußere Schicht (7) in Pulverform auf die innere Schicht (6) aufgebracht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die innere Schicht (6) und die äußere Schicht (7) in Pulverform aufgebracht werden.
15. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die innere Schicht (6) und die äußere Schicht (7) in Form eines festen Ringes aufgebracht werden.
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