DE10209346B4

DE10209346B4 - Herstellungsverfahren für ein mehrteiliges Ventil für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE10209346B4
Application number: DE10209346A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr.rer.nat. Baur; Peter Dr.-Ing. Busse; Daniel Bala Dipl.-Ing. Wortberg
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-03-02
Filing date: 2002-03-02
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-03-03
Also published as: DE10209346A1; US20030209218A1; US6868814B2; JP2003326354A

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugmotorventils, bestehend aus einem Ventilschaft (1) aus Stahl und einem Ventilteller (2) aus Titanaluminid, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil durch Umgießen des Ventilschaftes in einer Stahlkokille mit dem Material des Ventiltellers gebildet wird, wobei die Temperatur der Kokille so geführt wird, dass das Schaftmaterial eine metallurgische Verbindung mit dem Ventilteller ausbildet und eine gelenkte Erstarrung entgegen der Formfüllrichtung (6) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für Kraftfahrzeugmotorventile bestehend aus einem Ventilschaft (1) aus Stahl und einem Ventilteller (2) aus Titanaluminid gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Serienproduktion eingesetzte Ventile basieren meist auf hochwarmfestem Stahl, zumindest im Ventiltellerbereich. Der Ventilschaft besteht aus weniger hochlegiertem Stahl und wird durch Reibschweißen mit dem Teller verbunden. Im Ventilsitzbereich sind Ventilteller entweder mit einem verschleißfesten Material plasmabeschichtet oder gehärtet. Aus dem Rennsport sind Ventile aus Titan und TiAl bekannt. Derzeit wir die Herstellung und der Einsatz von pulvermetallurgisch hergestellten oder gegossenen Vollventilen aus TiAl in Betracht gezogen.

Aus der DE 100 24 343 A1 sind Bauteile auf der Basis von gamma-TiAl-Legierungen bekannt, die Bereiche mit gradiertem Gefüge aufweisen. Das angegebene Herstellungsverfahren beinhaltet das Abgießen einer TiAl-Schmelze unter gerichteter Erstarrung und eine Massivumformung des gegossenen Halbzeuges bei erhöhter Temperatur.

Gegossene Vollventile dagegen können im Schleuderguss oder in einer Art Druckguss bzw. Injektionsverfahren hergestellt werden. Um dabei im schwer zu speisenden Schaftbereich keine Poren zu erhalten, ist in den verwendeten Dauerformen eine entsprechende Vorheizung zu gewährleisten. Dafür werden entsprechend teure Kokillenmaterialien, wie beispielsweise Niob oder Tantal, benötigt. Ferner verlängern sich durch die Vorheizvorgänge die Taktzeiten bei der Produktion. Jedoch sind auch bei optimaler Temperaturführung Restporengehalte im Schaft bisher nicht zu vermeiden.

Bei mehrteiligen Ventilen werden unterschiedliche Anforderungen, die an Teller und Schaft gestellt. Insbesondere müssen Ventilteller eine hohe Temperatur- und Verschleißbeständigkeit aufweisen, der Ventilschaft dagegen eine hohe Festigkeit in Verbindung mit hohem Abriebwiderstand am Schaftende. Entsprechend den Anforderungen, die an die Ventilbestandteile gestellt werden, wird jeweils das günstigste Material gewählt. Bei Verwendung von Ventiltellern z.B. aus TiAl kann der Schaft beispielsweise aus geeignetem Stahl gewählt werden.

Herkömmliche Lösungen zur Darstellung von mehrteiligen Ventilen beschränken sich darauf Ventilteller und Schaft getrennt von einander herzustellen und anschließend in einem nachfolgenden Prozessschritt miteinander zu verbinden.

Aus der Druckschrift US 4,834,036 bekannt ist ein Verfahren zum Ausbilden eines Verbundes zwischen einem Ventilteller und einem im Inneren hohlen Ventilschaft. Mit Hilfe eines in den hohlen Ventilschaft eingepressten Druckmediums wird bei der Herstellung das im Teller eingeführte Ende des Schaftes unter Wärmeeinwirkung aufgeweitet und formschlüssig mit diesem verbunden.

Abgesehen von einstückigen Ausführungen besteht bei mehrstückigen Ventilen der Nachteil, eine geeignete Verbindung der einzelnen Teile zu gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung ist, die Teile mehrstückiger Ventile einfach und zuverlässig herzustellen und zu verbinden.

Die Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines mehrteiligen Ventils mit Schaft aus Stahl und Ventielteller aus gamma-TiAl für Kraftfahrzeuge mittels einer in-situ-Verbindung von Ventilteller und -schaft über einen gießtechnischen Prozess.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Ausbilden eines Verbundes zwischen einem Ventilteller und dem -schaft wird der Verbund zwischen diesen Teilen durch Umgießen eines Schaftendes mit einer gegossenen Legierung ausgebildet.

Die Verbindung von Teller und Schaft wird realisiert, indem bei der gießtechnischen Herstellung des Ventils der Schaft bereits in einer Kokille integriert ist und daher direkt mit eingegossen wird.

Entscheidend für eine einwandfreie Verbindung ist, dass beim Umgießen keine Heißrisse auftreten. Diese Heißrisse entstehen durch Spannungen infolge der Volumenkontraktion bei der Erstarrung im Fest-Flüssig-Intervall, die die Festigkeit des erstarrenden Materials übersteigen und durch mangelnde Nachspeisung nicht ausheilen können.

Erfindungsgemäß werden daher zwei Maßnahmen zur Verhinderung dieser Heißrisse vorgeschlagen. Zum einen wird erfindungsgemäß die Temperaturführung der Kokille und des darin befindlichen Ventilschaftes derart gestaltet, dass eine gelenkte Erstarrung entgegen der Formfüllrichtung bevorzugt mit einer entsprechenden Nachspeisung erfolgt übersteigen.

Ebenso wird erfindungsgemäß beim Gießen eine Nachspeisung der gegossenen Legierung mit hohem Fülldruck durchgeführt, um eine Rissbildung auszuheilen.

Der zur Formfüllung nötige Gießdruck wird beispielsweise durch die beim Schleuderguss auftretende Zentrifugalkraft erreicht. Gut geeignet hierfür erscheint die Anwendung des Kokillenschleudergussprozesses.

Technisch liefert der Prozess den besonderen Vorteil, durch die Pressverbindung eine sehr starre Verbindung von Ventilteller und -schaft zu erzielen. Ferner kann zudem ein optimaler Formschluß sowie gegebenenfalls sogar Stoffschluss realisiert werden.

Der Herstellungsprozeß zeichnet sich in vorteilhafter Weise durch seine Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu anderen Verbindungstechniken aus, da die Herstellung von mehrteiligen Ventilen in einem Schritt erfolgt. Nachfolgende Bearbeitungsschritte zur Verbindung dieser beiden Komponenten können eingespart werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Verbindung zwischen dem Ventilteller und -schaft durch Umgießen eines Schaftendes mit der gegossenen Legierung bewerkstelligt.

Die Verbindung eines Ventiltellers mit einem Ventilschaft ist in erster Linie ein Kraftschluss infolge der durch Pressverbindung entstehenden Reibungskräfte zwischen Teller und Schaft.

Die wesentliche Grundlage der Pressverbindung entsteht durch das Aufschrumpfen der gegossenen Legierung auf den Schaft. Die gegossene Legierung hat nach der Erstarrung eine wesentlich höhere Temperatur als der Schaft. Die mit der Abkühlung der gegossenen Legierung verbundene Volumenkontraktion ist somit, unabhängig davon ob der Schaft einen kleineren oder größeren Wärmedehnwert als die gegossene Legierung besitzt, höher. Der Ventilteller aus der gegossenen Legierung schrumpft beim Abkühlen auf den Schaft auf.

Gegenstand der Erfindung ist ferner die Gestaltung des Ventilschaftendes, um einen Formschluss zu realisieren. Das Schaftende kann beispielsweise durch eine umlaufende Nut derart gestaltet werden, dass eine Hinterschneidung entsteht, die von der gegossenen Legierung umflossen wird, so dass eine Art Verzahnung von Teller und Schaft stattfindet. Ferner ist das Schaftende möglichst so zu gestalten, dass im späteren Betrieb eine Verdrehung von Schaft und Teller verhindert wird. Dies kann beispielsweise durch eine Nut oder Kerbe senkrecht zur Schaftachse am Schaftende erreicht werden, die die Rotationssymmetrie des Schaftes bricht und bei der Formfüllung infiltriert wird. Denkbar sind auch Riffen oder Kerben parallel zur Schaftachse.

Die metallurgische Verbindung bzw. ein Stoffschluss, das heißt ein Verschmelzen bzw. Anschmelzen von Teller- und Schaftmaterial, kann über eine entsprechende Materialkombination und eine gezielte Temperaturführung des Schaftes und der Kokille erzielt werden. Dabei erhöht jede Form von Nut oder Kerbe zudem die Kontaktfläche zwischen Schaft und Gussmaterial und stellt in der Kombination bei gewünschter metallurgischer Verbindung eine zusätzliche Bindungsfläche dar.

Soll hingegen eine solche metallurgische Verbindung gezielt vermieden werden, so kann eine Diffusionsbarriere zumindest am umgossenen Schaftende zwischen Gussmaterial und Schaft aufgebracht werden. Eine solche Diffusionsbarriere kann aus einer Molybdän-Folie oder einer Molybdänschicht bestehen, die auf den Schaft aufgebracht wird und für den Zeitraum der Formfüllung eine Anschmelzung verhindert.

Der Ventilschaft besteht aus Stahl.

Vorzugsweise ist im Inneren des Ventilschafts ein Hohlraum ausgebildet, wobei der Hohlraum leer oder mit Natrium gefüllt ist.

Vorzugsweise wird für den Teller Material geringerer Dichte als das Schaftmaterial verwendet. Vorgeschlagen werden Materialien bzw. intermetallische Legierungen aus den Systemen Titan – Aluminium, insbesondere auf Basis von gamma-TiAl; Eisen – Aluminium, z.B. auf Basis von FeAl, sowie aus dem System Nickel – Aluminium, z.B. auf Basis von NiAl. Erfindungsgemäß können auch konventionell eingesetzte Stähle unter Einsatz der Gießtechnik Verwendung finden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1: einen Querschnitt einer Kokille mit Kokilleneinsatz mit integriertem Ventilschaft,
2: Schnitt durch ein Ventil, bestehend aus Schaft und Teller,
3: Gestaltung des vom Ventilteller umschlossenen Schaftendes.
Mit der in 1 dargestellten Kokille 5 mit integriertem Ventilschaft 1 werden die Ventile hergestellt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen die Kokille 5, vorzugsweise aus einem hochwarmfesten Stahl zu fertigen, in die ein Kokilleneinsatz 4 aus einem hochwarmfesten Stahl oder aus Niob oder Tantal eingesetzt wird, der die Formkavität für den Ventilteller 2 bildet. In die Kokille wird eine Bohrung eingebracht, deren Ende mit der Formkavität verbunden ist. In diese Bohrung wird der Ventilschaft 1 eingelegt. Dabei ist die Länge der Bohrung so gewählt, dass ein Ende des Schafts aus der Bohrung in die Formkavität für den Ventilteller 2 hineinragt.
Die Verbindung zwischen dem Ventilteller 2 und dem Ventilschaft 1 wird durch Umgießen des Ventilschafts 1 mit der gegossenen Legierung bewerkstelligt (2).
Die Temperaturführung der Kokille 5 und des darin befindlichen Schaftes 1 ist derart zu gestalten, dass eine gelenkte Erstarrung entgegen der Formfüllrichtung 6 bevorzugt mit einer entsprechenden Nachspeisung erfolgt.
In 2 ist das fertiggestellte Ventil bestehend aus Ventilschaft 1 und aus dem den Schaft umschließenden Ventilteller 2 dargestellt. Die Verbindung zwischen Schaft und Teller ist in erster Linie die dargestellte Pressverbindung. Zusätzlich kann ein Formschluss realisiert werden. Je nach gewählter Legierung kann die Verbindung insbesondere bei gleichem bzw. ähnlichem Schaft- und Tellermaterial zusätzlich chemischer bzw. metallurgischer Natur sein, dass heißt einen Stoffschluss darstellen.
Insbesondere die Ausgestaltung des Schaftendes ist der Ansicht aus 3 zu entnehmen. Das Schaftende kann beispielsweise durch eine umlaufende Nut 11 derart gestaltet werden, dass eine Hinterschneidung entsteht, die von der gegossenen Legierung umflossen wird, so dass eine Art Verzahnung von Teller und Schaft und somit ein Formschluss gebildet wird. Ferner ist das Schaftende möglichst derart zu gestalten, dass im späteren Betrieb eine Verdrehung von Schaft und Teller verhindert wird. Dies kann beispielsweise durch die in der Figur dargestellte Nut oder Kerbe 12 senkrecht zur Schaftachse am Schaftende erreicht werden, die die Rotationssymmetrie des Schaftes bricht und bei der Formfüllung infiltriert wird. Denkbar sind auch Riefen oder Kerben parallel zur Schaftachse.
Die Formfüllung erfolgt vorzugsweise in einem Dauerformgießverfahren, das eine druckunterstützte Formfüllung und Erstarrung ermöglicht. Besonders geeignet erscheint der Schleuderguß. Vorstellbar ist jedoch auch die Verwendung von Druckgießprozessen wie dem klassischen Druckguß oder dem Pressgiessen (im engl.: Squeeze Casting). Ferner ist die Anwendung Semi-Solid Metal Castings (bzw. des Semi-Solid Metal Forging) denkbar. Unter dem im wissenschaftlichen Sprach gebrauch gebräuchlichen Begriffs wird ein Verfahren verstanden, bei dem im Unterschied zu konventionellen Druckgießverfahren anstelle von flüssigem Metall, Metall – in diesem Fall die Legierung für den Ventilteller – im teilerstarrten Zustand verarbeitet wird. Die Verwendung des SSM-Casting hat im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Idee verschiedene Vorteile. Falls eine ungewünschte Reaktion zwischen Schaftmaterial und Ventilmaterial erwartet wird, wird diese durch die Verwendung einer teilerstarrten Schmelze mit einer gegenüber flüssigem Material geringeren thermischen Energie erheblich vermindert. Zusätzlich vermindert die Verwendung von teilerstarrtem Metall die thermische Schwindung so, dass nahezu eine der Endabmessung entsprechende Ausgangsform des Ventiltellers (sog. near-net-shape-Qualität) vorliegt und die Gefahr einer Rißbildung reduziert wird.

1: Ventilschaft
2: Ventilteller
3: Ventiltellerkavität
4: Kokilleneinsatz
5: Kokille
6: Formfüllrichtung
11: Nut
12: Quernut/-kerbe

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugmotorventils, bestehend aus einem Ventilschaft (1) aus Stahl und einem Ventilteller (2) aus Titanaluminid, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil durch Umgießen des Ventilschaftes in einer Stahlkokille mit dem Material des Ventiltellers gebildet wird, wobei die Temperatur der Kokille so geführt wird, dass das Schaftmaterial eine metallurgische Verbindung mit dem Ventilteller ausbildet und eine gelenkte Erstarrung entgegen der Formfüllrichtung (6) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanaluminid im wesentlichen durch gamma-TiAl gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung von Rissbildung beim Gießen eine Nachspeisung der gegossenen Legierung mit hohem Fülldruck unterstützt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilschaftende eine Nut (11) oder Kerbe (12) oder Riefen am umgossenen Ende aufweist, die vollständig, vom Titanaluminid umgossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Ventilschafts (1) ein Hohlraum ausgebildet ist und der Hohlraum leer oder mit Natrium gefüllt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft mit einem Kokilleneinsatz aus hochwarmfestem Stahl in einer Stahlkokille gehalten wird.