Werkstoffe und Technologie von Ventilen und Ventilringsitze

Werkstoffe und Technologie von Ventilen und Ventilringsitze
Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft MSc Präsentation Széchenyi István Universität Dr. Zsoldos Ibolya

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Ventil
Einleitung Im Allgemeinen zwei Ventile pro Zylinder bei modernen Motoren sind heutzutage schon vier (eventuell auch fünf) Ventile pro Zylinder Die Beschleunigung der Ventile ist im Durchschnitt 2000 m/s2 Arbeitstemperatur der Ventile auf der Einspritzseite übersteigt die 4000C auf der Auspuffseite erreicht sogar die 850 0C bei Grossleistungsmotoren ist die Arbeitstemperatur der Ventile noch höher. Korrosionsbelastung Reibungsbelastung Deswegen ist die Planung der angewandten Technologien und Werkstoffe von Ventilen eine sehr wichtige Aufgabe. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1. Hitzebeständige Stahlventile Die hitzebeständigen Stähle werden in drei Gruppen aufgeteilt: martensitischer Stahl, Ferritstahl und Austenitstahl. Die hitzebeständigen Ferritstähle können als Werkstoffe für Motorenventile wegen ihrer nicht ausreichenden Härte bei hoher Temperatur überhaupt nicht in Frage kommen. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Hitzebeständige Stahlventile Für Ventile verwendete Werkstoffe Werkstoff C (%) Si (%) Mn (%) Ni (%) Cr (%) Mo (%) Fe (%) Härte martensitischer Stahl 0,4 2 0,6 11 1 Rest 30 HRC Austenitstahl 0,5 0,3 9 4 21 - 35 HRC Hitzebeständige Stahllegierung auf Co-Basis, Stellite 1,2 1,1 3 28 57 HRC MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Hitzebeständige Stahlventile Bei einspritzseitigen Ventilen werden im Allgeimenen martensitischer Stahl, und bei den auspuffseitigen – wegen der höheren Temperatur- hitzebeständiger Austenitstahl verwendet 1.1. Martensitischer Stahl die Verschleißbeständigkeit sehr gut auch bei mittelmässig hoher Temperatur (rund 400 0C) MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.1. Martensitischer Stahl In der Grobstruktur sind neben den martensitischen Feinkörnen auch dispersartig zertstreute Karbidfeinkörne zu finden Die Kosten dieser Stahlzusammensetzung sind mittelmässig hoch. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.2. Austenitstahl In der Abbildung ist die Grobstruktur des Austenitstahles zu sehen. In der Grobstruktur sind die grossen, hellen Feinkörne die Austenitkörne, die kleinen dispersartig zertstreuten Feinkörne die Karbid- und Nitridkörne. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.2. Austenitstahl Wegen hoher Cr- und Ni-Konzentration ist die Austenitmatrix auch bei Zimmertemperatur stabil. Die Umwandlung Austenit zu Martensit kommt bei dieser Stahllegierung weder bei niedrigen noch bei höheren Temperatur zustande, diese Austenitstähle sind also nicht härtbar. In der Austenitmatrix ist die Härte wegen der feinen, dispersartig gestreuten Karbide und Nitride auch bei hoher Temperatur sehr groß. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.2. Austenitstahl Schritte der Wärmebehandlung: Erhitzen und beibehalten der Temperatur auf C, bei dieser Temperatur wird der Karbidgehalt vollständig aufgelöst, schnelle Abkühlung (Karbidentwicklung vermeidend), künstliche Alterung mit Erhitzung bis 750 0C, mit schneller Abkühlung wegen disperser Zerstreuung der sich entwickelnden Karbide. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Vergleich des martensitischen Stahles und des Austenitstahles Der Verlauf des Diagramms zeigt, dass die Härte des martensitischen Stahles bis 500 0C etwas größer ist, über 500 0C-ig dreht sich diese Tendenz, und die Härte des Austenitstahles zeigt bessere Werte. Reißfestigkeit (MPa) MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.3. Ventilkonstruktion und Technologie Die Austenitstähle sind nicht härtbar, die Verschleißbeständigkeit kann auch mit Nitrierhärtung nicht verbessert werden. Zur weiteren Optimierung der Verschleißbeständigkeitswerte wird zum aus hitzebeständigem Austenitstahl produzierten Ventilkopf aus martensitischem Stahl produzierter Ventilstiel angebracht, die Verbindung erfolgt durch Reibschweißen. Drehteil Standteil MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.3. Ventilkonstruktion und Technologie Beim Reibschweißverfahren wird eines von den Elementen an der gemeinsamen Achse gedreht (anderes wird festgehalten), und das Zusammenpressen der zwei Elemente mit Druck ausgeübt wird. Die Anschlussflächen werden mit der entstehenden Reibungshitze zusammengeschweißt. Beim Reibschweißen passiert kein Durchschmelzen, es läuft ein festphasiger, mechanischer Prozess ab. Drehteil Standteil MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.3. Ventilkonstruktion und Technologie Die konventionellen Schweißverfahren können z.B. bei Fe und Al als Werkstoffpaare nicht verwendet werden, da die entstehende Verbindung in diesem Fall viel zu steif wäre, jedoch, die beim Reibschweißen entstehende Verbindung ist nicht steif, so ist diese Verbindung für diese Werkstoffpaare bestens geeignet. Das Reibschweißen ist charakteristisch und sehr gutes Verfahren steife Verbindungen zu vermeiden, z.B. zur Verbindung der Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt und der Edelstähle. Das Reibschweißen ergibt eine sehr gute Verbindungsqualität, mit guter Produktivität bei niedrigen Kosten. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.3. Ventilkonstruktion und Technologie Hybridbauartventil und Grobstruktur der Umgebung des Reibschweißprozesses: An der Grobstruktur ist ersichtlich, dass es auf der martensitischen Materialseite im Bereich der Schweißverbindung als Ergebnis des Reibschweißverfahrens Ferritkörne entstehen. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.3. Ventilkonstruktion und Technologie Nachdem die Teile aus Rundstahl abgeschnitten werden (1-2), erfolgt das Zusammensetzen beider unterschiedlich hitzebeständigen Teile (martensitisch und austentisch) im Reibschweißverfahren (3). Bei diesem Schritt ist der Teil auf der Kopfseite noch länger, als der Ventilstiel. Die Stelle der Schweißverbindung auf der aus zwei Stahlarten zusammengesetzten Stange wird von den Materiallresten sauber geschliffen (4). MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.3. Ventilkonstruktion und Technologie Der Kopfteil wird elektrisch erhitzt (Widerstandserhitzung), und danach wird der Kopfbereich verstemmt (5). Die endgültige Kopfform wird im Schmiedwerkzeug ausgebildet (6). Die Stirnoberfläche des Ventilkopfes wird beschichtet (7), und erst dann wird das ganze Ersatzteil (8) mit einer Ausgleichswärmebehandlung weiterbehandelt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.3. Ventilkonstruktion und Technologie Die vorgeschriebenen, genauen Abmessungen des Teiles werden durch Schleifen verwirklicht (9-16) (Drehung, Fräsen, Schliff) MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.3. Ventilkonstruktion und Technologie Die Ventile auf der Auspuffseite müssen bei hoher Temperatur funktionieren. Zur Kontrolle der Temperatur ist die gut eingeschlagene Methode, dass das Ventil hohl gebaut wird. Dieser Hohlraum wird mit Natrium gefüllt. Das Natrium ist auf Zimmertemperatur fest, aber der Schmelzpunkt liegt sehr niedrig, bei 98 0C. Im Betrieb schmilzt das Natrium im Hohlraum, und das geschmolzene Metall führt die Hitze sehr gut aus dem Kopfteil in Richtung Ventilstiel ab. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.3. Ventilkonstruktion und Technologie Diese mit Schmelzbelag gekühlte Ventilkonstruktion war schon im zweiten Weltkrieg bei den Flugzeugmotoren mit Erfolg verwendet. In der Geschichte wurde im Jahre 1925 in Großbritannien zuerst in mit Quick (Hg) gefüllter, hohlräumiger Ventilkonstruktion verwendet, in den USA mit Salzlösung (KNO3, NaNO3) und auch mit Kühlung. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.4. Verbesserung der Verschleißbeständigkeit Der aus dem Zylinder austretende Russ kann sich auf der Ventiloberfläche anlegen, was die Ventilschließung verhindern kann. Zur Vermeidung dieser Anlagerung dreht sich das Ventil, diese Bewegung wird vom Zusammendrücken und Nachlass der Ventilfeder generiert. Bei diesen Drehungen reibt sich der angelagerte Russ ab. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.4. Verbesserung der Verschleißbeständigkeit Die Ventiloberfläche kommt direkt mit dem Auspuffgas in Berührung, und wird unter diesen Umständen auch noch dauernd gerieben, und zwar ohne Verwendung von Schmierstoffen. Die bis jetzt beschriebenen Ventilwerkstoffe sind nicht verschleißbeständig genug, der Verschleißbeständigkeitsvorgang bei hoher Temperatur wird am Ende der Produktion verwirklicht. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.4. Verbesserung der Verschleißbeständigkeit Die Ventiloberfläche wird fortlaufend mit geschmolzenen Stelliten beschichtet. Der Name Stellite bedeutet eine nicht magnetische, korrosion- und hitzebeständige Legierungsfamilie auf Kobaltbasis. Die Elemente dieser Legierungfamilie wurden für unterschiedliche Verwendungszwecke entwickelt. Die Stellite werden wegen ihrer guten Hitze- und - und Verschleißbeständigkeitswerte oft auch als Werkstoff von Schleifwerkzeugen, wo diese Eigenschaften analog Ventile auch sehr wichtig sind, verwendet Auf der Abbildung 7 wird der Querschnitt eines auspuffseitigen Ventils dargestellt. Die Härte auf der beschichteten Oberfläche (auf der Abbildung am rechten und licken Ventilrand) ca. 57 HRC. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.4. Verbesserung der Verschleißbeständigkeit Auf der Abbildung wird der Querschnitt eines auspuffseitigen Ventils dargestellt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

1.4. Verbesserung der Verschleißbeständigkeit Die Hitzebeständigkeit der feuerbeständigen Legierungsstähle auf Kobaltbasis ist viel grösser, als die von Fe- oder Ni- Basis, diese sind aber auch teurer. Bei den Ventilen wird zur Beschichtung sehr wenig Material benötigt, somit zahlt sich die Verwendung aus. Neben der Stirnoberfläche des Ventilkopfes wird auch das Endteil des Ventilstieles mit Stellite beschichtet, weil es wegen der Gleitbewegung an der Führungsschiene sehr starkem Verschleiß ausgesetzt ist. Neben Stellite sind auch andere Stahllegierungen mit Ni oder W, deren Verschleißbeständigkeit viel besser ist, z.B. ganz neu zu diesem Zweck entwickelte und bei den Ventilen erfolgreich verwendete Legierung Fe-1,8%C-12Mn-20Ni-20Cr-10Mn. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

2. Ventile aus Ni-Superlegierung Einige Ni-Superlegierungsarten (z.B. Inconel 751 oder Nimonic 80A) wurden ausdrücklich für Verwendung der Ventilproduktion, zur Ausweichung der teueren Stellite entwickelt. In den Grossleistungsmotoren werden die auspuffseitigen Ventile aus Ni-Superlegierungswerkstoffen hergestellt. Die Härte dieser Superlegierungen auf Ni-Basis ist auch bei hoher Temperatur bedeutend grösser, als die von den hitzebeständigen Austenitstählen, der Nachteil ist aber dass diese nicht schmiedbar sind. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

2. Ventile aus Ni-Superlegierung Die Tabelle zeigt die chemische Zusammensetzung und die Härteangaben der Inconel 751 és Nimonic 80A. Material C % Si % Mn % Ni % Cr % Co Ti % Al % Fe % Nb+Ta% Härte Inconel 751 0,1 0,5 1,0 maradék 15 - 2,5 7,0 38 HRC Nimonic 80A 20 2,0 1,7 5,0 32 HRC MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

3. Keramikventile Bei der Entwicklung der Fahrzeugkonstruktionen und so auch bei den Verbrennungsmotoren ist das wichtigste Ziel bei der Entwicklung der Kraftstoffverbrauch, und die Gewichtverminderung, was zugleich wenigere Umweltbelastung zur Folge hat. Die Auswirkung der bei den grösseren Ventilen (grosser Durchmesser) durchgeführten Gewichtsreduktion kann sehr bedeutend sein. Die Ventile aus Silizium-Nitrid, Si3N4 werden ständig und intensiv entwickelt. Der Dichtigkeitswert von Si3N4 ist weniger, als 3,2 g/cm3. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

3. Keramikventile Die Ventile aus Silizium-Nitrid, Si3N4 werden ständig und intensiv entwickelt. Der Dichtigkeitswert von Si3N4 ist weniger, als 3,2 g/cm3. Die Biegefestigkeit auf Zimmertemperatur ist 970 MPa, und auf 800 0C nur 890 MPa. Zum Vergleich: die Festigkeit eines Austenitstahles bei 800 0C nur 400 MPa. Bei der Verwendung der Si3N4 Ventile kann eine Gewichtsredutzierung bis um 40 % erreicht werden (anstatt hitzebeständige Stähle). MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

3. Keramikventile Die Keramiken sind viel steifere Materialien, als die Stähle, deswegen ist die Technologiepanung hier besonders wichtig. Das Si3N4 Pulver wird zuerst in Formen gefüllt, und dann auf hoher Temperatur eingepresst. Es wird besonders auf die Vermeidung der Porosität, auf die Sauberkeit der Pulver und auf die Feinkörne geachtet. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

4. Titanlegierungen Die ersten aus Titanlegierungen - Zusammensetzung: Ti-6%Al-4Sn-4Zr-1Nb-1Mo-0,2Si-0,3O – hergestellte Ventile, die als Verstärker auch 5% Anteil TiB- Masseteilchen beinhalteten, wurden im Jahre 1998 vom Motorenwerk Toyota auf den Mark gebracht. Bei den Ventilen hat man damit 40 % Gewichtsverminderung erreicht, bei den Ventilfedern mit dem gleichen Komposit 16%. Die maximale Drehzahl wurde um 10 % grösser, und der Verschleiss um 20 % weniger. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

4. Titanlegierungen Die Stuktur des Ventils ist auch bei Titanlegierung sehr komplex. Im Kopfbereich ist die Grobstruktur lamellar, nadelkristallisch (siehe Abbildung linke), deswegen ist dieser Bereich viel Härter, bis im Ventilstiel die Grobstruktur eher homogen ist (siehe Abbildung rechte). MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

5. Werkstoffe zur Ventilringsitz Die Kanten der Ventilringsitzeinlagen sind kegelförmig (siehe Abbildung). Der Ventilsitzring ist zum Aluzylinderkopf gepresst, die Funktion ist die luftdichte Abdichtung, das heisst: Erwartung der Widerstand gegen Korrosionsermüdung auch bei hoher Temperatur. Im Motorlauf ist die Temperatur bei den Ventilsiztringen nicht so hoch, wie bei den Ventilen, da diese nicht direkt mit dem Brennraum in Berührung kommen. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

5. Werkstoffe zur Ventilringsitz Werkstoff C % Ni % Cr % Mo% Cu W % Co % Fe (%) Festigkeit auspuffseite 1,5 2,5 8,0 0,8 18 2,0 rest 35 HRC einspritzseite - 0,5 4,0 100 HRB MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

5. Werkstoffe zur Ventilsitzring Das bei den Treibstoffen früher verwendete Blei-Zusatzmaterial hatte zwischen den Venil- und Ventilsitzringoberflächen auch eine Schmierstofffunktion, weil das Blei bei hoher Temperaur sich als fester Schmierstoff verhalten kann. Bei den bleifreien Treibstoffen ist diese Schmierwirkung nicht mehr vorhanden, deswegen sollte die Schmierung zwischen Ventil und Venilsitzring neu durchgedacht und geplant werden. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

5. Werkstoffe zur Ventilsitzring Früher waren Ventilsitzring aus Gusseisen im Einsatz, heutzutage ist die Verwendung mit Pulvermetallurgie produzierter, beschichteter Ventilsitzring verbreitet. Der spezielle Beschichtungsvorgang wird mit Ni-, Co-, Cr- und W- beinhaltenden Stahllegierungpulver gemacht. Der Ni-und Co-Gehalt verbessert die Hitzebeständikeitseigenschaft, und der Cr- und W-Gehalt unterstüzt die Feinverteilung der Karbide für eine bessere Verschleiss-beständigkeit. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

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