DE10330785A1 - Pulvermetallurgisch hergestellte Ventilsitzringe sowie Verfahren zur Herstellung solcher Ventilsitzringe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Ventilsitzringe, hergestellt auf pulvermetallurgischem Weg, mit DOLLAR A 0,8 bis 1,2 Gew.-% C DOLLAR A 16 bis 26 Gew.-% Co DOLLAR A 1,5 bis 2,5 Gew.-% Mo DOLLAR A 2,0 bis 3,0 Gew.-% Cr DOLLAR A 1,0 bis 2,0 Gew.-% Ni DOLLAR A 0,3 bis 0,7 Gew.-% Mn DOLLAR A 0,3 bis 0,7 Gew.-% S DOLLAR A Rest Fe DOLLAR A sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Ringe.

Description

• Die Erfindung betrifft auf pulvermetallurgischem Weg hergestellte Ventilsitzringe sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Ringe.
• Es ist bekannt, Ventilsitzringe pulvermetallurgisch herzustellen. Pulvermetallurgische Herstellungsverfahren ermöglichen es, hochpräzise Teile herzustellen, die nur weniger Nachbearbeitungsschritte bedürfen. Gleichzeitig können auf pulvermetallurgischem Weg auch sonst nur schwer einmischbare Bestandteile, beispielsweise Schmier- und Gleitmittel, auf einfache Weise zulegiert werden
• An herkömmliche Ventilsitzringe werden hohe Anforderungen an die Warm- und Verschleißfestigkeit gestellt. Hierfür haben sich Legierungen mit einem relativ hohen Kobalt- und Molybdängehalt als besonders tauglich erwiesen. Solche Ventilsitzringe sind beispielsweise in DE 34 13 593 C1 beschrieben.
• Beim Einsatz in Motoren, die mit herkömmlichen Kraftstoffen betrieben werden, haben sich derartige Ventilsitzringe außerordentlich bewährt. Unter den Einsatzbedingungen schützen die vom Motor abgegebenen Verbrennungsgase die Auslaßventile hinreichend vor Oxidation und oxidationsbedingten Verschleißerscheinungen.
• Bei Einsatz moderner Kraftstoffe, insbesondere auch von Naturgas, Wasserstoff und Flüssiggas, reicht allerdings der immanente Oxidationsschutz nicht mehr aus. Es hat sich gezeigt, daß die Ventilsitzringe von Ein- und Auslaßventilen oberflächlich oxidieren, was zu einem erheblichen Verschleiß führt. Mit herkömmlichen Ventilsitzringen ausgestattete Motoren unterliegen bei Gasbetrieb einem überdurchschnittlichen hohen Verschleiß, dem derzeit dadurch begegnet wird, daß in regelmäßigen Intervallen die Ventilsitzringe ausgetauscht werden.
• Das Problem des bei gasförmigen Kraftstoffen auftretenden Verschleißes konnte mit herkömmlichen Legierungen für Ventilsitzringe, wie etwa der oben angegebenen Zusammensetzung, bisher nicht gelöst werden. Da aber die Nachfrage an mit diesen modernen Kraftstoffen betriebenen Motoren, auch aus Umweltgründen, stark ansteigt, besteht ein Bedarf an beständigen Ventilsitzringen für Ein- und Auslaßventile.
• Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung von Ventilsitzringen, die bei Motorbetrieb mit alternativen Kraftstoffen, insbesondere Methan, Flüssiggas und Wasserstoff, hinreichend beständig sind, daß es nicht mehr zu den bekannten Verschleißerscheinungen kommt. Die Ventilsitzringe sollen eine hinreichend hohe Standfestigkeit aufweisen, die der von Ventilsitzringen in mit herkömmlichen Kraftstoffen betriebenen Motoren nahe kommt.
• Diese Aufgabe wird mit pulvermetallurgisch hergestellten Ventilsitzringen mit

  

  gelöst.
• Die erfindungsgemäßen Legierungen zeichnen sich durch einen stark erhöhten Kobaltgehalt aus, der im Bereich von 16 bis 26 Gew.-% liegt. Pulvermetallurgisch hergestellte Ventilsitzringe der herkömmlichen Art mit einem dergestalt erhöhten Kobaltgehalt zeigen das gewünschte verbesserte Oxidationsverhalten bei Motorbetrieb mit den genannten Kraftstoffen und eine entsprechend erhöhte Standzeit.
• Bevorzugt liegt der Kobaltgehalt bei den erfindungsgemäß hergestellten Ventilsitzringen im Bereich von 18 bis 25 Gew.-% Co, besonders bevorzugt im Bereich von 18,5 bis 24 Gew.-% Co.
• Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Ventilsitzringe können übliche Metallpulver mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 40 μm eingesetzt werden. Es hat sich allerdings als Vorteilhaft erwiesen, wenn das Kobaltpulver eine mittlere Teilchengröße von ≤ 10 μm hat und insbesondere im Bereich von 0,5 bis 5 μm.
• Bei anderen Metallen als Kobalt liegt die mittlere Teilchengröße zumeist im Bereich von 10 bis 40 μm.
• Die einzelnen Bestandteile können als Elementpulver zugegeben werden. Zumeist wird jedoch der Kohlenstoff gebunden an andere Metalle zugesetzt, beispielsweise mit dem Eisen. Der Schwefelanteil kann insbesondere auch als Mangansulfid oder Molybdänsulfid zugesetzt werden.
• Vorteilhaft ist die Zumischung des Chroms in Form von Ferrochrompulver.
• Mit dem Zusatz des Kobaltpulvers in besonders feiner Form ergibt sich eine sehr gute Verteilung innerhalb der Mischung.
• Die erfindungsgemäßen Ventilsitzringe werden auf übliche Art und Weise hergestellt. Dazu wird das Pulvergemisch, dem gegebenenfalls in geringen Mengen ein unter hohen Temperaturen ausgasendes Wachs oder dergleichen zur Formstabilisierung der Rohpreßlinge zugemischt wird, mit einer Preßkraft von mehr als 40 MPa zu Ventilsitzringen gepreßt, welche anschließend bei einer Temperatur von mehr als 1000 °C, in der Regel zwischen 1050 und 1200 °C in einer neutralen oder reduzierenden Atmosphäre gesintert werden. Die Sinterstücke werden gegebenenfalls einer Nachverdichtung mit einer Preßkraft von mehr als 120 MPa unterworfen und gegebenenfalls weiter vergütet. Bei der Nachverdichtung handelt es sich um eine übliche Heiß- oder Kaltverdichtung. Eine Nachvergütung kann in der Weise vorgenommen werden, daß die Ventilsitzringe nach der Verdichtung 15 min lang auf eine Temperatur oberhalb des AC₃-Punktes erwärmt, dann abgekühlt und bei einer Temperatur von etwa 600 °C 30 min lang angelassen werden.
• Bei den zum Einsatz kommenden Metallpulvern handelt es sich um solche, wie sie üblicherweise pulvermetallurgisch verwandt werden. Besonders bevorzugt sind Pulver mit spratziger Form, die zu einer inniger Verzahnung der Partikel führen und damit zu einem bessern Zusammenhalt der Preßlinge. Wird ein Kobaltpulver mit geringer Teilchengröße im Bereich von etwa 0,5 bis 5 μm zugesetzt, führt dies zu einer Anreicherung der Kobaltphasen in den zwischen den gröberen Teilchen liegenden Zwischenräumen, einer sehr guten Verteilung auf der Oberfläche der gröberen Teilchen und beim Sintervorgang zu einem recht gleichmäßigen Eindringen und einer guten Verteilung des Kobalts in den einzelnen Körnern.
• Die Erfindung wird durch das nachfolgende Beispiel näher erläutert:
• Beispiel:
• Ein Rohling mit 0,85 Gew.-% C, 18,5 Gew.-% Co, 1,65 Gew.-% Mo, 2,9 Gew.-% Cr, 1,9 Gew.-% Ni, 0,35 Gew.-% Mn, 0,35 Gew.-% S, Rest Fe und unvermeidliche Spuren wurde unter Verwendung eines Wachses – 0,5 Gew.%, bezogen auf die Legierungsbestandteile – auf übliche Weise hergestellt. Die eingesetzten Pulver hatten eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 10 bis 40 μm, das Kobaltpulver eine mittlere Teilchengröße von < 5 μm. Das Mangan wurde als Mangansulfid zugegeben, das Chrom als Ferrochrom. Der Rohling wurde zweimal mit mehr als 60 MPa verpreßt und anschließend bei einer Temperatur von mehr als 1050 °C unter reduzierenden Bedingungen gesintert.
• Nach üblicher Vergütung ergab sich ein Ventilsitzring mit hoher Stand- und Temperaturfestigkeit.

Claims (11)

1. Ventilsitzring, hergestellt auf pulvermetallurgischem Weg, mit

   
2. Ventilsitzring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Pulver eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 40 μm hat.
3. Ventilsitzring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Chrom als Ferrochrompulver vorliegt.
4. Ventilsitzring nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kobaltpulver eine mittlere Teilchengröße von ≤ 10 μm hat.
5. Ventilsitzring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kobaltpulver eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 5 μm hat.
6. Verfahren zur Herstellung von Ventilsitzringen auf pulvermetallurgischem Wege, bei dem ein Pulvergemisch aus

   

   und gegebenenfalls erforderlichen herstellungsbedingten Zusätzen zu Ventilsitzringen gepreßt, die Ringe anschließend in neutraler oder reduzierender Atmosphäre gesintert und gegebenenfalls nachverdichtet und/oder vergütet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe mit einer Preßkraft von ≥ 40 MPa verdichtet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe bei einer Temperatur von mehr als 1000 °C gesintert werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Metallpulver einer mittleren Teilchengröße von 0,5 bis 40 μm eingesetzt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Kobaltpulver einer mittleren Teilchengröße von ≤ 10 μm eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Kobaltpulver einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 0,5 bis 5 μm eingesetzt wird.