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Dokumentenidentifikation DE102005013088B4 28.12.2006
Titel Gaswechselventil mit Korrosionsschutzschicht
Anmelder MAN B & W Diesel AG, 86153 Augsburg, DE
Erfinder Lüpfert, Anja, 86447 Aindling, DE
DE-Anmeldedatum 18.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005013088
Offenlegungstag 21.09.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.12.2006
IPC-Hauptklasse F01L 3/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine mit einem Ventilkegel im Wesentlichen aus einem Ventilschaft, der unter Ausbildung einer Hohlkehle in einen Ventilteller übergeht.

Gaswechselventile, also Ein- und Auslassventile zum Öffnen und Schließen des Gaskanals der Brennkraftmaschine sind großen mechanischen und thermischen Beanspruchungen und Korrosionsangriffen durch die Verbrennungsgase ausgesetzt. Nur hochlegierte Stähle großer Warmfestigkeit und guter Zunderbeständigkeit sind den Belastungen insbesondere der Auslassventile gewachsen.

Zur Erhöhung der Lebensdauer solcher Gaswechselventile sind bereits mehrere Maßnahmen bekannt geworden. So ist beispielsweise der Ventilteller an der Dichtfläche mit einer besonders widerstandsfähigen CrNi-Legierung gepanzert.

Wie beispielsweise die DE 43 41 811 A1 vorschlägt, lässt sich zusätzlich zur oben beschriebenen Panzerung bei hochbelasteten Motoren die Lebensdauer des Auslassventils durch eine Drehvorrichtung in Form eines Propellers, der am Ventilschaft angebracht ist, um ein Mehrfaches vergrößern. Wegen der Zwangsdrehung durch das ausströmende Abgas, das den Propeller anregt, bleiben Ventilschaftende und Teller frei von Ablagerungen und es kann keine einseitige Erwärmung den Teller undicht werden lassen.

Doch auch die anderen Teile des Gaswechselventils sind unterschiedlichen Anforderungen hinsichtlich Warm-, Dauer- und Korrosionsfestigkeit unterworfen.

Bekanntlich werden unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der Warm-, Dauer- und Korrosionsfestigkeit an den verschiedenen Temperaturzonen des Ventilkegels dadurch berücksichtigt, dass der Ventilteller aus einem hochtemperaturund abbrandfesten Werkstoff hergestellt ist, während der Ventilschaft mitsamt dem Propeller aus einem Werkstoff mit geringer Kerbempfindlichkeit und hoher Dauerfestigkeit besteht, d.h. eine ausreichende Zähigkeit aufweist, um den in diesem Bereich auftretenden Biegespannungen zu begegnen. Vorzugsweise wird für den Ventilteller ein Material aus einem typischen Ventilstahl oder aus einer Superlegierung, wie z.B. NiCr2OTiAl und für den Ventilschaft mit Propeller ein Werkstoff aus einem typischen Ventilstahl, wie z.B. X45CrSi9-3 verwendet. Denn bekanntlich sind Stähle aus einer Nickel-Basis-Legierung zur Vermeidung der Korrosionsbelastung sehr teuer, so dass weitgehend wo verkraftbar das Gaswechselventil eben aus dem typischen Ventilstahl, wie z.B. X45CrSi9-3 gefertigt ist.

Desweiteren wurde bereits erkannt, dass ein weiterer Aspekt der Beanspruchung eines Gaswechselventils darin besteht, dass Ventilschaft und Hohlkehle durch Nasskorrosion (Kondensation) wegen Taupunktunterschreitung der Verbrennungsgase während des Motorstillstands angegriffen werden.

So ist beispielsweise in der EP 1 146 137 A1 oder der US 5,662,745 A jeweils ein Gaswechselventil beschrieben, dessen Ventilschaft mit einer Korrosionsschicht in Form einer Nitridschicht versehen ist.

Andererseits sind allerdings schon Härteverfahren in Form von Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren bei nitridbildenden Stählen bekannt.

Allgemein versteht man unter Plasmanitrieren/Plasmanitrocarburieren ein Härten von Oberflächenschichten von Stählen, wobei Stickstoff- bzw. Kohlenstoffatome eindiffundieren und dabei in einer dünnen Oberflächenschicht mit Eisen zu Nitriden bzw. Carbonitriden reagieren, der Verbindungsschicht (VS). In der sich daran anschließenden Diffusionsschicht (DS) wird der Stickstoff erst beim Abkühlen teilweise als Nitrid ausgeschieden und bewirkt dann die Härtesteigerung. Die Härte selbst hängt von der Art der Nitride ab. Je nachdem wie der Stickstoff mit dem Stahl zur Reaktion gebracht wird, unterscheiden sich Nitrierzeiten und -schicht.

Mit anderen Worten, es erfolgt eine Diffusionssättigung der Randschicht eines Werkstoffes mit Stickstoff, um Härte, Verschleißwiderstand, Dauerfestigkeit oder Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Die Randschicht besteht nach dem Nitrieren/Nitrocarburieren aus einer äußeren Nitrid- bzw. Carbonitridschicht (Verbindungsschicht) und einer anschließenden Schicht aus Stickstoff angereicherten Mischkristallen und ausgeschiedenen Nitriden (Diffusionsschicht).

Durch Ionisation des Stickstoffs durch Glimmentladung, das sog. Plasmanitrieren, können die Nitrierzeiten verkürzt werden (Plasmanitrieren bei 450°C bis 550°C).

Beim Nitrokarburieren, bei dem das Behandlungsmittel außer Stickstoff auch Kohlenstoff abgebende Bestandteile enthält, kann in Pulver, Salzbad, Gas oder Plasma eben nitrocarburiert werden (Plasmanitrocarburieren bei 500°C bis 590°C, vorzugsweise bei ca. 520°C).

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsbildendes Gaswechselventil dahingehend weiterzubilden, dass auch dessen Teile, die aus eingangs beschriebenen typischen Ventilstählen bestehen, einen guten Korrosionsschutz aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 für ein Gaswechselventil der gattungsgemäßen Art gelöst.

Ist der Ventilkörper des Gaswechselventils eben einstückig ausgeführt und wie eingangs beschrieben der Ventilteller an der Dichtfläche bzw. am Sitzbereich gepanzert, so ist in bevorzugter Weise die Nitrid- bzw. Carbonitridschicht komplett am Ventilschaft und der Hohlkehle bis zur gepanzerten Dichtfläche vorgesehen.

Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur erläutert:

Das Gaswechselventil, insbesondere ein Auslassventil (1) für eine Brennkraftmaschine weist eine Drehvorrichtung in Form eines auf ihrem Ventilschaft (2) angeordneten Propellers (3) auf. Der Ventilteller (4) ist an seiner Dichtfläche (5) gepanzert. Die Flügel (6) des Propellers (3) sind aus der Drehform des Propellers herausgefräst.

Des weiteren werden unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich Warm-, Dauer- und Korrosionsfestigkeit an den verschiedenen Temperaturzonen des Ventilkegels (1) dadurch berücksichtigt, dass der Ventilteller (4) aus einem hochtemperaturund abbrandfesten Werkstoff hergestellt ist, während der Ventilschaft (2) mitsamt dem Propeller (3) aus einem Werkstoff mit geringer Kerbempfindlichkeit und hoher Dauerfestigkeit besteht, d.h. eine ausreichende Zähigkeit aufweist, um den in diesem Bereich auftretenden Biegespannungen zu begegnen. Vorzugsweise wird für den Ventilteller (4) ein Material aus einem typischen Ventilstahl oder aus einer Superlegierung, wie z.B. NiCr2OTiAl und für den Ventilschaft (2) mit Propeller (3) ein Werkstoff aus einem Warmarbeitsstahl, wie z.B. X45CrSi9-3 verwendet. Der Ventilteller (4) ist mit dem Ventilschaft (2) durch eine Reibschweißung (7) verbunden.

Bei dem hier beispielhaft gezeigten Auslassventil (1) ist der Ventilkegel zumindest in Teilbereichen mit einer Korrosionsschutzschicht in Form einer Nitrierschicht (8) versehen, wobei die Korrosionsschutzschicht durch Umsetzung der nitridbildenden Basislegierung durch Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren in einer Stickstoff- bzw. Stickstoff-Kohlenstoff-Atmosphäre erzeugt ist.

In bevorzugter Weise ist hier bei der zweistückigen Ausführung eines Gaswechselventils der komplette Ventilschaft (2) bis zur Reibschweißung (7), an der eben der Warmarbeitsstahlwerkstoff begrenzt ist, mit der Nitrierschicht (8) versehen, der Bereich der Hohlkehle (11) bleibt offen. Natürlich können allgemein sowohl bei der einstückigen, als auch bei der mehrstückigen Ausführung eines Gaswechselventils die beiden Stirnseiten am Ventilteller (4) und am Ventilschaft (2) bezüglich der Nitrid- bzw. Carbonitridschicht (8) ausgespart bleiben.

Es kann aber auch, bevorzugt bei der einstückigen Ausführung, der komplette Ventilkegel (1) bis auf den gepanzerten Ventilsitzbereich (5) des Ventiltellers (4) sowie bis auf dessen Tellerboden und der Ventilschaftstirnseite mit der Nitrierschicht (8) versehen sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Gaswechselventil wird die Oberfläche in der Weise umgewandelt, dass eine harte, verschleißbeständige Randschicht entsteht. Dazu wird der Ventilkegelrohling entweder teilweise in Form des Ventilschafts oder komplett mit Ventilschaft (2) und Ventilteller (4) über alle Fertigungsschritte hin bearbeitet, so dass er in seiner endgültigen Oberflächenrauheit vorliegt, anschließend erfolgt das Plasmanitrieren bzw. Plasmanitrocarburieren. Eine Nachbehandlung des nitrierten Gaswechselventils ist möglich aber nicht notwendig (allerdings sollte die Nachbehandlung in den vor Korrosion zu schützenden Bereichen des Gaswechselventils jedoch nicht vorgenommen werden, um die erzeugte Verbindungsschicht nicht zu entfernen). Beispielsweise kann der Ventilkegel (1) nach dem Nitrieren geschliffen werden.

Es kann als charakteristisch für die erzeugten Korrosionsschutzschichten angegeben werden, dass die Nitrierschicht eine Diffusionsschicht (9) mit einer Dicke (Nitrierhärtetiefe) von 0,1 mm bis 0,3 mm und eine darauf aufgebaute Verbindungsschicht (10) von 3 &mgr;m bis 15 &mgr;m aufweist und eine Oberflächenhärte größer als 750 HV (Vickers) bietet.

Wenn für die Verbindungsschicht eine Dicke um die 10 &mgr;m erreicht werden soll, ist das Plasmanitrocarburieren unter Zugabe von Kohlenstoff vorzuziehen.

Durch das Plasmanitrieren bzw. Plasmanitrocarburieren des Ventilkegels (1) wird ein deutlich verbesserter Korrosionsschutz und eine Erhöhung der Dauerwechselfestigkeit erreicht, d.h. längere Wartungsintervalle bzw. Bauteillebensdauer werden erreicht und der Rissbildung durch Biegebelastung entgegen gewirkt.


Anspruch[de]
Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine mit einem Ventilkegel (1) im Wesentlichen aus einem Ventilschaft (2), der unter Ausbildung einer Hohlkehle (11) in einen Ventilteller (4) übergeht und der Ventilkegel (1) oder zumindest der Ventilschaft (2) bis in den Bereich der Hohlkehle (11) aus einem Warmarbeitsstahl aus einer nitridbildenden Basislegierung gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkegel (1) zumindest in Teilbereichen mit einer Korrosionsschutzschicht (8) in Form einer Nitrid- oder Carbonitridschicht versehen ist, wobei die Korrosionsschutzschicht (8) durch Umsetzung der nitridbildenden Basislegierung durch Plasmanitrieren oder Plasmanitrocarburieren in einer Stickstoffatmosphäre erzeugt ist. Gaswechselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer einstückigen Ausführung der komplette Ventilkegel (1) bis auf einen gepanzerten Ventilsitzbereich des Ventiltellers (4) sowie bis auf dessen Tellerboden und der Ventilschaftstirnseite mit der Korrosionsschutzschicht (8) versehen ist. Gaswechselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zweistückigen Ausführung der Ventilschaft (2) zumindest an seinen mit den Verbrennungsgasen in Kontakt kommenden Aussenflächen komplett bis zu einer Grenzfläche (7), an der eben der Warmarbeitsstahl begrenzt ist, mit der Korrosionsschutzschicht (8) versehen ist. Gaswechselventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nitrierschicht (8) eine Diffusionsschichtdicke (9) von 0,1 mm bis 0,3 mm und eine darauf aufgebaute Verbindungsschicht (10) von 3 &mgr;m bis 15 &mgr;m aufweist und eine Oberflächenhärte größer als 750 HV bietet.






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