DE-102021210268-B4 - Schichtgesinterter Ventilsitzring, Verfahren zu dessen Herstellung, Kombinationen damit und deren Verwendung

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines schichtgesinterten Ventilsitzrings, das die Schritte umfasst: Herstellen von Ausgangsmaterialpulvern für ein Trägermaterial (2) und ein Funktionsmaterial (1) wobei das Funktionsmaterial (1) für einen tribologischen Kontakt mit einem Gegenläufer ist und ein Material das Trägermaterial (2) für das Funktionsmaterial (1) ist, wobei das Trägermaterial (2) enthält: C: 0,5 bis 1,8 Gew.-%; Cr: 3 bis 16 Gew.-%; Mo: 1 bis 5 Gew.-%; W: 0,5 bis 5,5 Gew.-%; V: 0,4 bis 4,0 Gew.-%; Cu: 12 bis 25 Gew.-%; Fe: 41,3 bis 82,6 Gew.-%; gegebenenfalls eines oder mehrere von Mn: bis 0,6 Gew.-%; Si: bis 1,8 Gew.-%; wobei es sich bei dem Rest um herstellungsbedingte Verunreinigungen in der Form von Ni, Co, Ca, P und/oder S handelt, die gegebenenfalls in Anteilen von jeweils <0,3 Gew.-% vorliegen, uniaxiales Pressen der Ausgangsmaterialpulver; Sintern der uniaxial gepressten Ausgangsmaterialpulver unter einer Endogasatmosphäre oder einer Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1055 °C bis 1152 °C; und Wärmebehandeln des gesinterten Materials durch Vergüten, wobei das uniaxiale Pressen bei einem Druck im Bereich von 40 MPa bis 140 MPa, bei einer Temperatur im Bereich von 12 °C bis 60 °C und für eine Zeit im Bereich von 0,5 s bis 1,8 s durchgeführt wird, wobei das Sintern für eine Zeit im Bereich von 10 min bis 30 min durchgeführt wird, wobei das Wärmebehandeln durch Vergüten durchgeführt wird und wobei das Vergüten durch Härten bei 850 °C bis 950 °C, Ölabschrecken und Anlassen bei 510 °C bis 610 °C in dieser Reihenfolge durchgeführt wird.

Inventors

• Andreas Gutmann
• Marco Ortlieb
• Patrick Sutter
• Klaus Wintrich

Assignees

• MAHLE INTERNATIONAL GMBH

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20210916

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines schichtgesinterten Ventilsitzrings, das die Schritte umfasst: Herstellen von Ausgangsmaterialpulvern für ein Trägermaterial (2) und ein Funktionsmaterial (1) wobei das Funktionsmaterial (1) für einen tribologischen Kontakt mit einem Gegenläufer ist und ein Material das Trägermaterial (2) für das Funktionsmaterial (1) ist, wobei das Trägermaterial (2) enthält: C: 0,5 bis 1,8 Gew.-%; Cr: 3 bis 16 Gew.-%; Mo: 1 bis 5 Gew.-%; W: 0,5 bis 5,5 Gew.-%; V: 0,4 bis 4,0 Gew.-%; Cu: 12 bis 25 Gew.-%; Fe: 41,3 bis 82,6 Gew.-%; gegebenenfalls eines oder mehrere von Mn: bis 0,6 Gew.-%; Si: bis 1,8 Gew.-%; wobei es sich bei dem Rest um herstellungsbedingte Verunreinigungen in der Form von Ni, Co, Ca, P und/oder S handelt, die gegebenenfalls in Anteilen von jeweils <0,3 Gew.-% vorliegen, uniaxiales Pressen der Ausgangsmaterialpulver; Sintern der uniaxial gepressten Ausgangsmaterialpulver unter einer Endogasatmosphäre oder einer Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1055 °C bis 1152 °C; und Wärmebehandeln des gesinterten Materials durch Vergüten, wobei das uniaxiale Pressen bei einem Druck im Bereich von 40 MPa bis 140 MPa, bei einer Temperatur im Bereich von 12 °C bis 60 °C und für eine Zeit im Bereich von 0,5 s bis 1,8 s durchgeführt wird, wobei das Sintern für eine Zeit im Bereich von 10 min bis 30 min durchgeführt wird, wobei das Wärmebehandeln durch Vergüten durchgeführt wird und wobei das Vergüten durch Härten bei 850 °C bis 950 °C, Ölabschrecken und Anlassen bei 510 °C bis 610 °C in dieser Reihenfolge durchgeführt wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines schichtgesinterten Ventilsitzrings, das die Schritte umfasst: Herstellen von Ausgangsmaterialpulvern für ein Trägermaterial (2) und ein Funktionsmaterial (1) wobei das Funktionsmaterial (1) für einen tribologischen Kontakt mit einem Gegenläufer ist und ein Material das Trägermaterial (2) für das Funktionsmaterial (1) ist, wobei das Trägermaterial (2) enthält: C: 1,0 bis 1,8 Gew.-%; Cr: 10 bis 15 Gew.-%; Mo: 2,5 bis 5 Gew.-%; W: 0,8 bis 1,5 Gew.-%; Si: 0,2 bis 1,8 Gew.-%; V: 0,4 bis 1,5 Gew.-%; Cu: 12 bis 25 Gew.-%; Fe: 47,8 bis 73,1 Gew.-%; gegebenenfalls Mn: bis 0,6 Gew.-%; wobei es sich bei dem Rest um herstellungsbedingte Verunreinigungen in der Form von Ni, Co, Ca, P und/oder S handelt, die gegebenenfalls in Anteilen von jeweils <0,3 Gew.-% vorliegen, uniaxiales Pressen der Ausgangsmaterialpulver; Sintern der uniaxial gepressten Ausgangsmaterialpulver unter einer Endogasatmosphäre oder einer Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1055 °C bis 1152 °C; und Wärmebehandeln des gesinterten Materials durch Vergüten, wobei das uniaxiale Pressen bei einem Druck im Bereich von 40 MPa bis 140 MPa, bei einer Temperatur im Bereich von 12 °C bis 60 °C und für eine Zeit im Bereich von 0,5 s bis 1,8 s durchgeführt wird, wobei das Sintern für eine Zeit im Bereich von 10 min bis 30 min durchgeführt wird, wobei das Wärmebehandeln durch Vergüten durchgeführt wird und wobei das Vergüten durch Härten bei 850 °C bis 950 °C, Ölabschrecken und Anlassen bei 510 °C bis 610 °C in dieser Reihenfolge durchgeführt wird.
3. Verfahren zur Herstellung eines schichtgesinterten Ventilsitzrings, das die Schritte umfasst: Herstellen von Ausgangsmaterialpulvern für ein Trägermaterial (2) und ein Funktionsmaterial (1) wobei das Funktionsmaterial (1) für einen tribologischen Kontakt mit einem Gegenläufer ist und ein Material das Trägermaterial (2) für das Funktionsmaterial (1) ist, wobei das Trägermaterial (2) enthält: C: 0,7 bis 1,1 Gew.-%; Cr: 3 bis 5 Gew.-%; Mo: 3 bis 5 Gew.-%; W: 3,5 bis 5,5 Gew.-%; V: 1,0 bis 2,0 Gew.-%; Cu: 15 bis 25 Gew.-%; Fe: 54,8 bis 73,8 Gew.-%; gegebenenfalls eines oder mehrere von Mn: bis 0,6 Gew.-%; Si: bis 1,0 Gew.-%; wobei es sich bei dem Rest um herstellungsbedingte Verunreinigungen in der Form von Ni, Co, Ca, P und/oder S handelt, die gegebenenfalls in Anteilen von jeweils <0,3 Gew.-% vorliegen, uniaxiales Pressen der Ausgangsmaterialpulver; Sintern der uniaxial gepressten Ausgangsmaterialpulver unter einer Endogasatmosphäre oder einer Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1055 °C bis 1152 °C; und Wärmebehandeln des gesinterten Materials durch Vergüten, wobei das uniaxiale Pressen bei einem Druck im Bereich von 40 MPa bis 140 MPa, bei einer Temperatur im Bereich von 12 °C bis 60 °C und für eine Zeit im Bereich von 0,5 s bis 1,8 s durchgeführt wird, wobei das Sintern für eine Zeit im Bereich von 10 min bis 30 min durchgeführt wird, wobei das Wärmebehandeln durch Vergüten durchgeführt wird und wobei das Vergüten durch Härten bei 850 °C bis 950 °C, Ölabschrecken und Anlassen bei 510 °C bis 610 °C in dieser Reihenfolge durchgeführt wird.
4. Verfahren zur Herstellung eines schichtgesinterten Ventilsitzrings, das die Schritte umfasst: Herstellen von Ausgangsmaterialpulvern für ein Trägermaterial (2) und ein Funktionsmaterial (1) wobei das Funktionsmaterial (1) für einen tribologischen Kontakt mit einem Gegenläufer ist und ein Material das Trägermaterial (2) für das Funktionsmaterial (1) ist, wobei das Trägermaterial (2) enthält: C: 1,0 bis 1,8 Gew.-%; Cr: 12 bis 16 Gew.-%; Mo: 1 bis 2,5 Gew.-%; W: 0,8 bis 2,0 Gew.-%; Si: 0,2 bis 1,2 Gew.-%; V: 0,4 bis 1,5 Gew.-%; Cu: 12 bis 25 Gew.-%; Fe: 49,4 bis 72,6 Gew.-%; gegebenenfalls Mn: bis 0,6 Gew.-%; wobei es sich bei dem Rest um herstellungsbedingte Verunreinigungen in der Form von Ni, Co, Ca, P und/oder S handelt, die gegebenenfalls in Anteilen von jeweils <0,3 Gew.-% vorliegen, uniaxiales Pressen der Ausgangsmaterialpulver; Sintern der uniaxial gepressten Ausgangsmaterialpulver unter einer Endogasatmosphäre oder einer Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1055 °C bis 1152 °C; und Wärmebehandeln des gesinterten Materials durch Vergüten, wobei das uniaxiale Pressen bei einem Druck im Bereich von 40 MPa bis 140 MPa, bei einer Temperatur im Bereich von 12 °C bis 60 °C und für eine Zeit im Bereich von 0,5 s bis 1,8 s durchgeführt wird, wobei das Sintern für eine Zeit im Bereich von 10 min bis 30 min durchgeführt wird, wobei das Wärmebehandeln durch Vergüten durchgeführt wird und wobei das Vergüten durch Härten bei 850 °C bis 950 °C, Ölabschrecken und Anlassen bei 510 °C bis 610 °C in dieser Reihenfolge durchgeführt wird.
5. Verfahren zur Herstellung eines schichtgesinterten Ventilsitzrings nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , das die Schritte umfasst: Herstellen von Ausgangsmaterialpulvern für ein Trägermaterial (2) und ein Funktionsmaterial (1) wobei das Funktionsmaterial (1) für einen tribologischen Kontakt mit einem Gegenläufer ist und ein Material das Trägermaterial (2) für das Funktionsmaterial (1) ist, wobei das Funktionsmaterial (1) enthält: C: 0,7 bis 1,5 Gew.-%; Cr: 2 bis 4 Gew.-%; Mo: 12 bis 18 Gew.-%; W: 2 bis 4 Gew.-%; V: 1 bis 2 Gew.-%; Cu: 10 bis 20 Gew.-%; Co: 6 bis 14 Gew.-%; Fe: 34,5 bis 66,3 Gew.-%; gegebenenfalls Mn: bis 1,0 Gew.-%; Si: bis 1 Gew.-%; wobei es sich bei dem Rest um herstellungsbedingte Verunreinigungen in der Form von Ni, Ca, P und/oder S handelt, die gegebenenfalls in Anteilen von jeweils <0,3 Gew.-% vorliegen, uniaxiales Pressen der Ausgangsmaterialpulver; Sintern der uniaxial gepressten Ausgangsmaterialpulver unter einer Endogasatmosphäre oder einer Stickstoff-Wasserstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 1055 °C bis 1152 °C; und Wärmebehandeln des gesinterten Materials durch Vergüten, wobei das uniaxiale Pressen bei einem Druck im Bereich von 40 MPa bis 140 MPa, bei einer Temperatur im Bereich von 12 °C bis 60 °C und für eine Zeit im Bereich von 0,5 s bis 1,8 s durchgeführt wird, wobei das Sintern für eine Zeit im Bereich von 10 min bis 30 min durchgeführt wird, wobei das Wärmebehandeln durch Vergüten durchgeführt wird und wobei das Vergüten durch Härten bei 850 °C bis 950 °C, Ölabschrecken und Anlassen bei 510 °C bis 610 °C in dieser Reihenfolge durchgeführt wird.
6. Kombination aus einem Ventilsitzring erhalten nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und einem Ventil, wobei das Ventil gepanzert oder nitriert ist.
7. Kombination aus einem Ventilsitzring erhalten nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und einem Ventil, wobei das Ventil aus einer Nickelbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung mit einem Ni-Anteil von 10 bis 40 Gew.-% ausgebildet ist.
8. Kombination aus einem Ventilsitzring erhalten nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und einem Zylinderkopf (3) aus einer Gusseisenlegierung, wobei die Gusseisenlegierung Lamellengraphit, Vermiculargraphit oder Kugelgraphit enthält, und wobei der Ventilsitzring mit einer Presspassung in den Zylinderkopf (3) eingesetzt ist.
9. Verwendung einer Kombination nach einem der Ansprüche 6 bis 8 in einem Verbrennungsmotor, der teilweise oder vollständig mit Wasserstoff als Brenngas betrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen schichtgesinterten Ventilsitzring. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zu dessen Herstellung, Kombinationen damit und deren Verwendung. Aus der JP 2015 - 127 520 A ist ein Ventilsitz aus einer Sinterlegierung auf Eisenbasis für einen Verbrennungsmotor bekannt, der zwei Schichten aufweist, eine Deckschicht und eine Tragschicht. Die Tragschicht besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von 23-50 (W/m · K) bei 20-300 °C, während die Deckschicht eine Wärmeleitfähigkeit von 10-22 (W/m - K) bei 20-300 °C aufweist. Eine Ventilkontaktfläche ist durch die Deckschicht gebildet. Aus der DE 199 42 780 A1 ist ein Zylinderkopf für eine Kolbenbrennkraftmaschine aus Gusseisen mit Vermikulargraphit mit je Zylinder wenigstens einem Gaseinlasskanal mit wenigstens einem zugordneten Einlassventil und wenigstens einem Gasauslasskanal mit wenigstens einem zugordneten Auslassventil bekannt. Aus der DE 10 2016 109 539 A1 ist ein Ventilsitzring mit einer Trägerschicht und einer Funktionsschicht bekannt, wobei die Trägerschicht aus einer verfestigten Kupfermatrix besteht, die 0,25 bis 20 Gew.-% einer verfestigenden Komponente enthält, und wobei die Funktionsschicht aus einer verfestigten Kupfermatrix besteht, die 5 bis 25 Gew.-% bezogen auf die Kupfermatrix, einer Hartphase, enthält. Die Verwendung von schichtgesinterten Ventilsitzringen mit einem Trägermaterial und einem Funktionsmaterial ist bekannt. Dabei wird gewöhnlich ein teures Funktionsmaterial mit einem kostengünstigen Trägermaterial kombiniert und damit werden die Materialkosten für einen Ventilsitzring gesenkt. Die Grenzfläche zwischen dem Trägermaterial und dem Funktionsmaterial kann bezogen auf die Achse des Ventilsitzrings (in dessen axialer Richtung) entweder orthogonal oder in einem speziellen Winkel nicht-orthogonal angeordnet sein. Der Einbau von Ventilsitzringen in den Zylinderkopf erfolgt im Allgemeinen als Presspassung, d.h. zwischen dem Ventilsitzring-Außendurchmesser und dem Durchmesser der Aufnahmebohrung im Zylinderkopf gibt es eine Überdeckung, die üblicherweise 40 µm bis 120 µm beträgt. Während die Verwendung von schichtgesinterten Ventilsitzringen in einer Kombination mit einem Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung unproblematisch ist, kann es bei der Verwendung von Zylinderköpfen aus Gusseisenlegierungen (beispielsweise aus Gusseisen mit Lamellengraphit (GJL), Gusseisen mit Vermiculargraphit (GJV) oder Gusseisen mit Kugelgraphit (GJS)) zu Problemen mit der Relaxation der Ventilsitzringe kommen. Bei der Relaxation handelt es sich um eine plastische Deformation bzw. ein thermisches Kriechen des Ventilsitzringmaterials im heißen Zustand (d.h. im Betrieb). Dadurch wird der Außendurchmesser des Ventilsitzrings im abgekühlten Zustand kleiner und der Ventilsitzring verliert einen Teil seiner Überdeckung/Presspassung in der Aufnahmebohrung des Zylinderkopfes. Dabei kann es schließlich zu einem Lockern bzw. Lösen des Ventilsitzrings von dem Zylinderkopf und damit zu einem Motorschaden kommen. Insbesondere die Verwendung von schichtgesinterten Ventilsitzringen kann zu einer stärkeren Relaxation der Ventilsitzringe führen, da das günstige Trägermaterial im Allgemeinen eine geringere Kriechbeständigkeit als das Funktionsmaterial hat und damit die Überdeckung/Presspassung relativ schnell verloren gehen kann. Aufgabe der Erfindung ist es, einen schichtgesinterten Ventilsitzring, der in Zylinderköpfen aus Gusseisenlegierungen verwendet werden soll, bereitzustellen, bei dem die Relaxation verglichen mit herkömmlichen schichtgesinterten Ventilsitzringen vermindert ist. Ferner sollen ein Verfahren zu dessen Herstellung, Kombinationen damit sowie eine Verwendung der Kombinationen bereitgestellt werden. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Trägermaterial in einem schichtgesinterten Ventilsitzring so auszubilden, dass dessen Relaxation verglichen mit herkömmlichen schichtgesinterten Ventilsitzringen soweit vermindert ist, dass ein Lockern bzw. Lösen des schichtgesinterten Ventilsitzrings vom Zylinderkopf im Betrieb verhindert wird. Insbesondere wird ein schichtgesinterter Ventilsitzring so ausgebildet, dass er mindestens zwei Materialien umfasst, wobei ein Material ein Funktionsmaterial für einen tribologischen Kontakt mit einem Gegenläufer ist und ein Material ein Trägermaterial für das Funktionsmaterial ist, wobei das Trägermaterial enthält: C: 0,5 bis 1,8 Gew.-%; Cr: 3 bis 16 Gew.-%; Mo: 1 bis 5 Gew.-%; W: 0,5 bis 5,5 Gew.-%; V: 0,4 bis 4,0 Gew.-%; Cu: 12 bis 25 Gew.-%; Fe: 41,3 bis 82,6 Gew.-%; gegebenenfalls eines oder mehrere von Mn: bis 0,6 Gew.-%; Si: bis 1,8 Gew.-%; wobei es sich bei dem Rest um herstellungsbedingte Verunreinigungen in der Form von Ni, Co, Ca, P und/oder S handelt, die gegebenenfalls in Anteilen von je