TRIBOLOGISCHES SYSTEM UMFASSEND EINEN VENTILSITZRING UND EIN VENTIL

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein tribologisches System, umfassend einen aus Sinterwerkstoff hergestellten Ventilsitzring und ein unbehandeltes oder ein zumindest im Sitzbereich gehärtetes und/oder gepanzertes Ventil.

[0002] Bei der Neuentwicklung aber auch beim Downsizing von Motoren stehen neben der Erhöhung der Leistungskonzentration, der Verfügbarkeit und der Verlängerung der Lebensdauer insbesondere die stetige Erhöhung der Effektivität der Motoren bei gleichzeitiger Reduzierung der Emissionen im Mittelpunkt. Zum Erreichen dieser Aspekte werden häufig höhere Ansprüche an die einzelnen Motorenkomponenten hinsichtlich Haltbarkeit und Verschleißbeständigkeit gestellt als bisher.

[0003] Ein Beispiel hierfür sind die Ein- und Auslassventilelemente im Bereich des Brennraums des Motors, d.h. das Ventil und der zugeordnete Ventilsitzring, die zusammen ein tribologisches System bilden. Sie dichten den Verbrennungsraum ab und steuern den Gaswechsel im Motor. Die in diesem System miteinander wechselwirkenden und aufeinander einwirkenden Oberflächen unterliegen, bedingt durch das in einem Verbrennungsmotor wirkende Lastkollektiv, das sich aus mechanischer, thermischer, tribologischer und chemischer Belastung zusammensetzt, äußerst komplexen Beanspruchungen.

[0004] Jeder Partner in dem oben genannten tribologischen System muss dabei zum Teil unterschiedliche Voraussetzungen erfüllen.

[0005] So muss der Ventilsitzring eine hohe Festigkeit, insbesondere einen hohen Widerstand gegen Verformung bei mittleren Temperaturen (Kriechwiderstand), sowie eine hohe Warmhärte aufweisen, insbesondere da die Auslassventile mehr als 70 Mal in der Sekunde auf den Ventilsitz aufschlagen. Um einen schnellen Wärmetransport im Zylinderkopf und ein Absenkung der Ventiltemperatur zu gewährleisten, müssen Ventilsitzringe zudem eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Und nicht zuletzt sind eine hohe Schmierfähigkeit und Verschleißfestigkeit zwingende Voraussetzungen für Ventilsitzringe.

[0006] Ventilsitzringe mit oben genannten Eigenschaften sind üblicherweise durch Sintern eines Sinterwerkstoffs erhältlich. Die Pulverzusammensetzung (Tabelle 2) besteht in der Regel aus einer Kombination eines Schnellarbeitsstahl-Pulvers (z.B. die kommerziell weit verbreiteten Pulver K3 bzw. K1) und einer oder mehrerer Hartphasen auf Fe-Basis, gegebenenfalls auch auf Co-Basis, sowie aus weiteren Bestandteilen, wie Festschmierstoffe, wie Sulfide, z. B. MoS₂ und/oder Graphit und/oder Kupfer und/oder CaF₂. Häufig werden diese Ventilsitzringe auch mit Kupfer infiltriert, um eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine bessere Bearbeitbarkeit zu erreichen. Ein Nachteil dieser Ventilsitzring-Materialien ist, dass sie häufig relativ aggressiv gegenüber dem Gegenläufer sind und damit auch einen höheren Verschleiß am Ventil verursachen.

[0007] Die Ventile, und insbesondere die Ventilteller, müssen aufgrund von Temperaturen bis zu 1.000°C eine hohe Warmfestigkeit, wie auch eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen. Hierfür ist es üblich, die Ventile, insbesondere die Ventilteller zu panzern, zu härten und/oder zu nitrieren, um die tribologischen Eigenschaften des Systems zu verbessern. Es gibt auch tribologische Systeme, bei denen die Ventilteller nicht oberflächlich behandelt werden.

[0008] Die US6318327B1 beschreibt ein Tribosystem, bestehend aus Ventilsitzring und Ventil. Der Ventilsitzring besteht aus einem Sinterwerkstoff auf Eisenbasis und feinen Einlagerungen von 10 bis 50 Gew.-% einer CoMoCr-basierten intermetallischen Hartphase, zum Beispiel T 800 und T 400. Festschmierstoffe (Sulfide, Nitride, Fluoride, Grafit) sind zugesetzt; auch wird die Infiltration und das Imprägnieren mit Cu beschrieben. Die Sinterung erfolgt im Vakuum. Dies ist für einen kontinuierlichen Sinterprozess von großen Stückzahlen sehr nachteilig.

[0009] Als Ventil wird ein austenitischer Stahl verwendet (SUH35 (JIS G 4311: 21% Cr-4% Ni-9% Mn-O.4% N-O.5% C-Fe (Rest)), der zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit nitriert oder mit Stellit F, 6 oder 12 oder mit K8, K10 gepanzert wird, um dadurch die tribologischen Eigenschaften des Systems zu verbessern.

[0010] Nachteilig ist, dass für konkrete Tribosysteme optimale Eigenschaften nicht erreicht werden, insbesondere da andere Ventilwerkstoffe nicht in Betracht gezogen werden. Dies ist auch deshalb relevant, weil nicht nur die Wechselwirkung zwischen Ventilteller und Ventilsitzring die Zuverlässigkeit des Systems bestimmt, sondern in diese Betrachtung auch die Ventilführung mit einbezogen werden muss. Insofern führt die Beschränkung auf nur eine Gruppe von Ventilwerkstoffen zu einer Einschränkung bei der Optimierung der Werkstoffpaarung.

[0011] Die WO 2009 024 809 A1 offenbart einen Werkstoff für einen Ventilsitzring, bei dem eine Eisenbasis-Legierung mit reduzierten Gehalten an Karbiden der Elemente Mo, W, V und Nb zum Einsatz kommt. Dieses Pulver macht den Hauptanteil an der zu verarbeitenden Pulvermischung aus. Sie enthält darüber hinaus noch die üblichen Zusätze zur Verbesserung der Bearbeitung, des Sinterns und Festschmierstoffe sowie Hartphasen und Kupfer.

[0012] Neben den jeweils individuellen Eigenschaften von Ventil und Ventilsitzring ist es für ein tribologisches System wichtig, die mechanischen, physikalischen und/oder chemischen Wechselwirkungen der Partner möglichst gering zu halten. Hierfür sorgt in der Regel eine externe Schmierung über Kraftstoffe, Verbrennungsprodukte oder das Motorenöl. Ist diese externe Schmierung deutlich reduziert oder aber fällt sie vollkommen weg, ist das tribologische System, das zuvor einer Flüssigkeits- oder Mischreibung ausgesetzt war, vermehrt einer Festkörperreibung ausgesetzt, die zu einem höheren Gesamtverschleiß führt.

[0013] Schließlich offenbart die WO 2009 040 369 A1 ein vorlegiertes Pulver aus auf Wasser zerstäubtem Pulver auf Eisenbasis, das zur Herstellung von gepressten und gesinterten Komponenten mit hoher Verschleißfestigkeit geeignet ist. Das Pulver auf Eisenbasis umfasst 10 bis 18 Gew.-% Cr, jeweils 0,5 bis 5 Gew.-% von mindestens einem von Mo, W, V und Nb und 0,5 bis 2%, vorzugsweise 0,7 bis 2% und am meisten bevorzugt 1 bis 2 Gew.-% C.

[0014] Aufgabe der Erfindung ist es, ein tribologisches System, umfassend einen Ventilsitzring und ein unbehandeltes oder ein gehärtetes und/oder gepanzertes Ventil bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, und insbesondere eine höhere Verschleißbeständigkeit bei reduziertem Gesamtverschleiß aufweist. Gelöst wir die Aufgabe durch die in den Patentansprüchen beschriebenen tribologischen Systeme.

[0015] Die Erfindung wird in den Ansprüchen definiert. Das erfindungsgemäße tribologische System umfasst gemäß Patentanspruch 1 einen ersten tribologischen Partner, nämlich einen aus einem Sinterwerkstoff hergestellten Ventilsitzring, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sinterwerkstoff erhältlich ist, durch Pressen und Sintern einer Mischung aus einzelnen Pulverkomponenten, die 5 bis 45 Gew.-% einer oder mehrerer Hartphasen auf Fe-Basis und 0 bis 2 Gew.-% Graphitpartikel und/oder 0 bis 2 Gew.-% MnS- und/oder 0 bis 2 Gew.-% MoS₂- und/ oder bis 2 Gew.-% FeP- und/oder 0 bis 7 Gew.-% Cu- und/oder 0 bis 4 Gew.-% Co-Pulver

[0016] sowie 0 bis 1,0 Gew.-% eines Presshilfsmittels und als Rest Schnellarbeitsstahlpulver mit einer Zusammensetzung von 14 bis 18 Gew.-% Cr, 1,2 bis 1,9 Gew.-% C, 0,1 bis 0,9 Gew.-% Si, 0,5 bis 2,5 Gew.-% V, 0,5 bis 2,5 Gew.-% W, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mo, und

[0017] als Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen, insbesondere durch Ni, Cu, Co, Ca und/oder Mn mit Anteilen < 1,5 Gew.-%, enthält, wobei eine oder mehrere Hartphasen auf Fe-Basis mit einer Zusammensetzung von < 0,2 Gew.-% C, 26 bis 32 Gew.-% Mo, 8 bis 12 Gew.-% Cr, 2,2 bis 3 Gew.-% Si ist. Und einen zweiten tribologischen Partner, nämlich ein oberflächlich unbehandeltes Ventil.

[0018] Alternativ ist der zweite tribologische Partner ein zumindest im Sitzbereich gehärtetes und/oder gepanzertes und/oder nitriertes Ventil. Neben einem reduzierten Verschleiß in dem tribologischen System dient die Sitzpanzerung bzw. das Nitrieren zugleich dem Erzielen einer besseren Dichtwirkung des Ventils während des Betriebes. Vorzugsweise sind die Ventile daher nitriert und/oder im Sitzbereich mit einem Material auf Eisen- oder Co-Basis gepanzert.
Das erfindungsgemäße tribologische System umfasst gemäß Patentanspruch 2 einen ersten tribologischen Partner, nämlich einen aus einem Sinterwerkstoff hergestellten Ventilsitzring, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sinterwerkstoff erhältlich ist durch Konsolidieren und Sintern einer Mischung aus einzelnen Pulverkomponenten, die 5 bis 45 Gew.-% einer oder mehrerer Hartphasen auf Fe-Basis mit einer Zusammensetzung von < 0,3 Gew.-% C, 26 bis 32 Gew-% Mo, 14 bis 20 Gew.-% Cr, 2,9 bis 4,2 Gew.-% Si und 0 bis 2 Gew.-% Graphitpartikel und/oder 0 bis 2 Gew.-% MnS- und/oder 0 bis 2 Gew.-% FeP- und/oder 0 bis 2 Gew.-% MoS₂-Pulver und/oder 0 bis 7 Gew.-% Cu- und/oder 0 bis 4 Gew.-% Co-Pulver sowie
0,1 bis 1,0 Gew.-% eines Presshilfsmittels und als Rest ein,

[0019] einem Schnellarbeitsstahlpulver mit einer Zusammensetzung von 14 bis 18 Gew.-% Cr, 1,2 bis 1,9 Gew.-% C, 0,1 bis 0,9 Gew.-% Si, 0,5 bis 2,5 Gew.-% V, 0,5 bis 2,5 Gew.-% W, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mo und als
Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen, insbesondere durch Ni, Cu, Co, Ca und/oder Mn mit Anteilen < 1,5 Gew.-%, enthält.
Und einen zweiten tribologischen Partner, nämlich ein oberflächlich unbehandeltes Ventil.
Alternativ ist der zweite tribologische Partner ein zumindest im Sitzbereich gehärtetes und/oder gepanzertes und/oder nitriertes Ventil. Neben einem reduzierten Verschleiß in dem tribologischen System dient die Sitzpanzerung bzw. das Nitrieren zugleich dem Erzielen einer besseren Dichtwirkung des Ventils während des Betriebes. Vorzugsweise sind die Ventile daher nitriert und/oder im Sitzbereich mit einem Material auf Eisen- oder Co-Basis gepanzert.
Gegenüber den bekannten Lösungsversuchen, nämlich der Optimierung der Eigenschaften der einzelnen Partner eines tribologischen Systems, basiert die Erfindung auf der überraschenden Erkenntnis, dass durch die beschriebene Werkstoffzusammensetzung im Ventilsitzring über die Mischung der gewählten Ausgangspulver und durch die geschickte Wahl des Ventils, tribologische Partner erreicht werden, bei denen die Festkörperreibung im System Ventilsitzring - Ventil herabgesetzt und damit der Gesamtverschleiß erheblich reduziert werden kann.

[0020] Im Allgemeinen umfasst ein tribologisches System neben Ventilsitzring und Ventil mit Teller und Schaft auch noch die Ventilführung. Insbesondere dann, wenn Ventilsitz und Ventilschaft unbehandelt, d.h. weder gehärtet, beschichtet noch gepanzert sind, kann die Anpassung der Ventilführung nicht außer Acht gelassen werden. Hier ist ebenfalls eine entsprechende Werkstoffpaarung von Ventilschaft und Ventilführung erforderlich.

[0021] Es wurde nämlich gefunden, dass selbst im Vergleich zu Sinterwerkstoffen, die mit einem hohen Anteil an Co legiert wurden (siehe nachfolgend Vergleichsbeispiel 2), ein verringerter Verschleiß innerhalb des erfindungsgemäßen tribologischen Systems beobachtet werden kann. Auch gegenüber handelsüblichen Sinterwerkstoffen (siehe nachfolgend Vergleichsbeispiel 1, siehe nachfolgend Vergleichsbeispiel 3) ist bezüglich des Verschleißes eine deutliche Verringerung zu beobachten. Aber erst die geschickte Kombination des Sinterwerkstoffs mit unbehandelten Ventilen, oder aber mit Ventilen, die nitriert und/oder im Sitzbereich mit einem Material auf Eisen- oder Co-Basis gepanzert sind, führt zu dem erfindungsgemäßen tribologische System, das sich durch einen deutlich reduzierten Verschleiß der einzelnen tribologischen Partner auszeichnet.

[0022] Ferner wurde gefunden, dass die Verschleißbeständigkeit des erfindungsgemäßen tribologischen Systems u.a. von der Härte und der Dicke einer zumindest im Sitzbereich des Ventils ausgebildete Nitrierdiffusionsschicht abhängt. Die besten Ergebnisse sind mit einer Härte > 510 HV und einer Dicke > 19 µm erzielbar. Auch wurde gefunden, dass die Verschleißbeständigkeit des erfindungsgemäßen tribologischen Systems u.a. von der Schichtart und Schichtstärke einer zumindest im Sitzbereich des Ventils ausgebildeten Panzerung abhängt. Die besten Ergebnisse sind mit einer Schichtstärke der Panzerung von > 400 µm und einem Co-Gehalt und/oder Fe-Gehalt von > 40% erzielbar.

[0023] Weiterhin haben Untersuchungen gezeigt, dass erfindungsgemäße Werkstoffe für den Ventilsitzring in Kombination mit der Standardmischung Nireva 3015 (mit der Zusammensetzung in Gew.-%: bis 0,08 C, bis 0,5 Si, bis 0,5 Mn, bis 0,015 P, bis 0,01 S, 13,5 bis 15,5 Cr, 30,0 bis 33,5 Ni, 0,4 bis 1,0 Mo, 1,6 bis 2,2 AI, 2,3 bis 2,9 Ti, 0,4 bis 0,9 Nb und als Rest Fe) oder mit der Standardmischung Nimonic 80 (mit der Zusammensetzung in Gew.-%: 0,04 bis 0,1 C, bis 1,0 Si, bis 1,0 Mn, bis 0,02 P, bis 0,015 S, 18,0 bis 21,0 Cr, > 65,0 Ni, bis 3,0 Fe, bis 2,0 Co, 1,0 bis 1,8 AI und 1,8 bis 2,7 Ti) nach optimaler Wärmebehandlung auch ohne oberflächliche Behandlung, wie z.B. Nitrieren oder Panzern, einen reduzierten Gesamtverschleiß aufweisen Hartphasen auf Fe-Basis sind gegenüber Ni- und Co-Basislegierungen kostengünstiger und können durch Wärmebehandlung gezielt auf konkrete Anwendungen eingestellt werden. Kohlenstoff härtet dabei die Matrix und bildet zudem auch harte Karbide, die die Verschleißbeständigkeit erhöhen.

[0024] Entsprechend den motorspezifisch unterschiedlichen Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit bei verschiedenen Anwendungen in der Praxis kann es auch vorteilhaft sein, dem Sinterwerkstoff neben einer Hartphasen auf Fe-Basis zusätzlich noch eine Hartphase auf Co-Basis beizumischen. In einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen tribologischen Systems ist daher dem Sinterwerkstoff zusätzlich eine Hartphase auf Co-Basis in einem Anteil von 0,5 bis 9,9 Gew.-% beigemischt.

[0025] Bevorzugte Hartphasen (Tabelle 2) auf Fe-Basis sind K11, K6, K7 und K4. Besonders bevorzugt sind K6 und K7. Bevorzugte Hartphasen auf Co-Basis, die in dem beschriebenen Tribosystem zu betrachten sind, K8, K9 und K10, wobei K8 und K9 besonders bevorzugt sind. Die Zusammensetzung der Hartphasen wird nachfolgend erläutert.
Durch die Wahl geeigneter Sinterparameter, wie beispielsweise Temperatur, Atmosphäre oder Taupunkt kann ein Gefüge im Ventilsitzring eingestellt werden, bei dem die Sonderkarbide in dem Sinterwerkstoff deutlich gröber ausgebildet sind als beispielsweise im konventionellen Schnellarbeitsstählen. Trotz der gröberen Karbide sind die Festigkeitswerte, gemessen im Stauchversuch zwischen 25 und 300°C und beschrieben durch die Stauchgrenze Rd 0,2 des Sinterwerkstoffs, vergleichbar. Die Warmhärte dagegen ist höher als die der Vergleichswerkstoffe.

[0026] Die Offenbarung wird nachfolgend anhand von Beispielen und einer Referenz näher erläutert.

Beispiel 1

[0027] In Tabelle 1 ist die Zusammensetzungen einer Pulvermischung "Referenz" und einer Vergleichsmischung "Vergleich 3" dargestellt. Fertigungstechnische und anwendungstechnische Zusätze (z.B. Sulfide) sind in "Sonstige" enthalten. Einige Beispiele für eingesetzte oder im Sinne der Referenz einsetzbare Mischungskomponenten sind als Tabelle 2 (Ausgangspulver) zusammengestellt.

Tabelle 1: Pulvermischungen ohne Festschmierstoff, prozessbedingte Zusätze und Cu-I nfiltranten

		K1	K2	Graphit	K12	Cu	K6		Sonstige
Vergleich 3	Gew.-%	84		0,3	0,3	5	10		0,4
Referenz	Gew.-%		84	0,3	0,3	5	10		0,4

Tabelle 2: Für referenzierte Mischungen verwendbare Ausgangspulver (Angaben in Gew.-%). Die angegebenen Zusammensetzungen sind als Mittelwerte aus verschiedenen Lieferungen zu verstehen, die um ca. 10% bis 30 %, bezogen auf den Endwert und den Absolutgehalt, abweichen können.

Bezeichnung	C	P	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	Cu	V	W	Co	Fe	Rest
K1	1,0		0,4	0,4	4,0		5,0		3,0	6,0	1,0	78,9
K2	1,5			0,5	16,0		1,5		1,0	1,5		60,3
K3	0,8	0,04	0,3	0,45	4,0	0,4	5,0	0,4	2,0	6,2	1,0	76,41	3
K4							70					30
K5						4	0,5	1,5				Rest
K6	0,1			2,6	8,5		28,5					50,8
K7	0,3			3,4	17,5		28,0					60,3
K8	0,1			2,6	8,5		28,5				60,3
K9	0,2			1,3	17,0		22,0				59,5
K10				3,4	17,5		28,0				51,1
K11	0,1		0,1	2,4	9,2	8,8	20,1					59
K12		15										85
K14								100

[0028] In einem ersten Schritt werden die in Tabelle 1 aufgelisteten und in Tabelle 2 näher spezifizierten Pulver in einem Taumelmischer für 30 min gemischt. Danach werden diese Mischungen bei einem Pressdruck von 700 MPa zu Ventilsitzringen (φa: 30 mm, φi: 23 mm; Höhe: 6 mm) verpresst. Eine Teilmenge der Ringe wird bei einer Temperatur von 1.110 bis 1.125 °C (ca. 30 min) unter N₂-H₂ (17 bis 25 Vol.-% H₂) in einem Durchlaufofen gesintert. Eine andere Teilmenge wird einer Sinterung bei 1.132 bis 1.145 °C (ca. 30 min) unter N₂-H₂ (17 bis 25 Vol.-% H₂) unterzogen.

[0029] Die verwendeten Sinterbedingungen und erreichten Sinterdichten sind in Tabelle 3 (Sinterdichten) zusammengefasst.

Tabelle 3: Sinterbedingungen für die Pulvermischung "Referenz" und die zu vergleichende Mischung "Vergleich 3

	Sinterbedingungen und Sinterdichte
	Tmax1	Dauer	Tmax2	Dauer
	°C	min	°C	min
Vergleich 3	1110-1125	20-33	1132-1145	20-33
Referenz	1110-1125	20-33	1132-1145	20-33

Atmosphäre: N2-H2 (17-25 Vol-% H2)

Tabelle 4: Wärmebehandlung für die Pulvermischung "Referenz" und die zu vergleichende Mischung "Vergleich 3"

Mischung zum Vergleich	Varianten der Wärmebehandlung nach dem Sintem
	Anlassen			Vergüten
	T	Dauer	Abkühlung	T	Dauer	Abkühlung	Anlassen	Dauer	Abkühlung
	°C	h	K/min	°C	h		°C	min	K/min
Vergleich 3	620	2	5 - 10	880	2	Öl	580	40	5 - 10
Referenz	620	2	5 - 10	880	2	Öl	580	40	5 - 10

[0030] Bedingt durch die unterschiedlichen Sinterbedingungen und das Anlassen ergeben sich die in Tabelle 1 dargestellten mittleren Durchmesser für die gebildeten Sondercarbide (MoC, VC, Cr₂C₃) (siehe Tabelle 4).

[0031] Die Maximaltemperatur bei der Sinterung betrug 1.132 bis 1.145°C. Die Haltezeit betrug bei der vorstehend genannten Temperatur 20 bis 33 Minuten. Als Atmosphäre wurde ein Gemisch aus N₂-H₂ mit einen H₂-Anteil von 17 bis 25% verwendet.

[0032] Nach der Sinterung wurde das Sintermaterial gem. Tabelle 4 (Wärmebehandlung) wärmebehandelt. Hierfür wurde sowohl ein einfaches Anlassen, bei Temperaturen zwischen 550 und 620°C als auch ein Vergüten des Materials, d.h. Härten bei 850 bis 950°C - Ölabschreckung - Anlassen bei 510 bis 610°C verwendet. Da die Unterschiede in den Eigenschaften, insbesondere im Verschleißverhalten, Bearbeitbarkeit und Kriechverhalten gering sind, wird das angelassene Material verwendet.

[0033] Eine Ausmessung der Sonderkarbide zeigte bei herkömmlichem Vergleichsmaterial einen mittleren Durchmesser von 2,1 µm und bei dem referenzierten Sintermaterial von 4,0 µm. Neben den Mittelwerten sind die Minimal- und Maximalwerte in der Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 5: Mittlerer Durchmesser der Sonderkarbide in der gesinterten Pulvermischung "Referenz" und in der zu vergleichende Mischung "Vergleich 3"

	mittlerer Durchmesser [µm]
	Min.	MW	Max.
Vergleich 3	0,5	2,1	5,1
Referenz	1,1	4,0	12,1

[0034] In Tabelle 6 sind sowohl die Härte als auch die 0,2% - Stauch-Dehngrenze bei Raumtemperatur und bei 300°C dargestellt. Überraschenderweise sind trotz der gröberen Karbide die Festigkeitswerte des referenzierten Sintermaterials vergleichbar mit denen von herkömmlichem Vergleichsmaterial (z. B. Vergleich 3)

Tabelle 6: Festigkeitskennwerte und Härten nach dem Sintern/ Wärmebehandeln der Pulvermischung "Referenz" und der zu vergleichende Mischung "Vergleich 3"

T [°C]	Rd0.2 [MPa]		Härte [HV10]
	Referenz	Vergleich 3	Referenz	Vergleich 3
25	1.400	1.813	415	391
300	1.328	1.195	372	349

[0035] Die Leistungsfähigkeit wird in einem tribologischen System über den Gesamtverschleiß am Ventilsitzring und Ventilsitz eines mit Stellit F gepanzerten Ventils bewertet. Die nicht grafisch dargestellte Fig. 1 gibt die entsprechenden Ergebnisse für die gesinterten/wärmebehandelten Ventilsitzring-Ventil-Kombinationen der Pulvermischung "Referenz" und der zu vergleichende Mischung "Vergleich 3" wieder, sowie für zwei weiteren Mischungen die dem Stand der Technik entsprechen.

Fig. 1:

(nicht grafisch dargestellt) Gesamtverschleiß - nach motorischer Erprobung im Tribosystem "Ventilsitzring - Ventilsitz", wobei neben dem hergestellten Ventilsitzring ("Referenz") Ventilsitzringe aus den Vergleichswerkstoffen "Vergleich 1", "Vergleich 2" und "Vergleich 3" betrachtet wurden

[0036] Die nicht grafisch dargestellte Fig. 1 verdeutlicht die verbesserte Leistungsfähigkeit des tribologischen Systems "Referenz". Durch geschickte Kombination der Herstellung und der Zusammensetzung des referenzierten Sinterwerkstoffs und Kombination mit einem zumindest im Sitzbereich mit Stellite F gepanzerten Ventil wird die Festkörperreibung der tribologischen Partner herabgesetzt und damit der Verschleiß erheblich reduziert. Der gemessene Gesamtverschleiß ist in diesem Fall reduziert.

[0037] Im Tribosystem "Vergleich 1" besteht der Ventilsitzring aus in Gew.-%: C: 1,5; S: 0,6 Cr: 3; Mo: 5 bis 15; Cu: 10 bis 20; V: 2; Fe: Rest; andere: 4.

[0038] "Vergleich 2" ist ein Co-haltiger Werkstoff, der neben diesem teuren Rohstoff hohe Anteile an den Refraktärmetallen Mo und W enthält. Im Detail besteht der Funktionsbereich aus den Elementen in Gew.-%: C: 0,5 bis 2; Mn: 1; Cr: 3 bis 6; Mo: 8 bis 15; Co: 16 bis 22; W: 2 bis 5; V: 1 bis 3; Cu: 12 bis 22; Fe: Rest; andere: 3.

[0039] Bei den Tribosystemen "Vergleich 3" hat der Ventilsitzring folgende Zusammensetzung in Gew.-%: 0,5 bis1,5; Si: 0,2 bis 1,0; Cr: 2,5-5; Mo:5 bis 8; W: 3 bis 6; V:1 bis 4; Cu: 10 bis 20; Fe: Rest; andere: 3 und bei "Referenz" hat der VSR die Zusammensetzung: C: 1 bis 1,8; Si: 0,2 bis 1,8; Mn: 0,6; Cr: 10 bis 15; Mo:2,5 bis 4,5; V:0,4 bis 1,0; Cu: 0,8 bis 1,5; Fe: Rest; andere: 3.

[0040] Die Tribosysteme "Vergleich 1" bis "Vergleich 3" basieren auf herkömmlichen Ventilsitzringmaterialen, wobei "Vergleich 1" im Gesamtverschleiß willkürlich auf 100 % festgelegt wurde.

[0041] Im Unterschied zu "Vergleich 1" bis "Vergleich 3" enthält der Ventilsitzring "Referenz" deutlich geringe Anteile teurer Elemente und erreicht einen signifikant geringeren Gesamtverschleiß.

Beispiel 2

[0042] Vergleicht man die in Beispiel 1 (Fig. 1, nicht geaphisch dargestellt) beschriebenen Werkstoffe (Vergleich 1, Vergleich 3 und Referenz) in einem Test, bei dem gepanzerte (Stellit F) und nitrierte X50-Ventile als Tribopartner verwendet werden, zeigt sich nach 100 h motorischem Test, dass sich der Gesamtverschleiß (Fig. 2) bei nitriertem Auslassventil, nur geringfügig gegenüber dem eines gepanzerten Ventils mit referenziertenm Werkstoff erhöht. Den marktüblichen Vergleichswerkstoffen Vergleich 1 und Vergleich 3 ist diese Tribopaarung deutlich überlegen.

Beispiel 3

[0043] Die in Beispiel 1 beschriebenen Ventilsitz-Werkstoffe (Vergleich 3 und Referenz) zeigen in einem motorischen Test (500 h, Kalt-Warm-Dauerlauf) mit unbeschichteten bzw. unbehandelten Nimonic 80 - Auslassventilen mit einem sehr geringen Gesamtverschleiß. Der Verschleiß am Ventilsitzring und am Ventilteller ist so gering, dass er nicht messbar ist. Beim Werkstoff (Referenz) sind noch ursprüngliche Bearbeitungsspuren zu erkennen. Da der referenzierte Werkstoff durch die Verwendung geringer Mengen an Sonderkarbiden besonders kostengünstig ist, ergibt sich bei vergleichbarem technischem (nicht messbarem Gesamtverschleiß) Niveau ein signifikanter wirtschaftlicher Vorteil gegenüber dem Vergleichswerkstoff "Vergleich 3".

Ansprüche

1. Tribologisches System, umfassend einen aus Sinterwerkstoff hergestellten Ventilsitzring und ein unbehandeltes oder zumindest im Sitzbereich gehärtetes und/oder gepanzertes Ventil, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff durch Pressen und Sintern einer Pulvermischung mit einer Zusammensetzung von

a) 5 bis 45 Gew.-% einer oder mehrerer Hartphasen auf Fe-Basis,

b) 0 bis 2 Gew.-% Graphitpartikel, 0 bis 2 Gew.-% MnS-, 0 bis 2 Gew.-% MoS₂-, 0 bis 2 Gew.-% FeP-Pulver,

c) 0 bis 7 Gew.-% Cu- und 0 bis 4 Gew.-% Co-Pulver,

d) 0,1 bis 1,0 Gew.-% eines Presshilfsmittels, und als Rest

e) Schnellarbeitsstahl mit einer Zusammensetzung von 14 bis 18 Gew.-% Cr, 1,2 bis 1,9 Gew.-% C, 0,1 bis 0,9 Gew.-% Si, 0,5 bis 2,5 Gew.-% V, 0,5 bis 2,5 Gew.-% W, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mo, und als Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen, insbesondere durch Ni, Cu, Co, Ca und/oder Mn mit Anteilen < 1,5 Gew.-%, erhältlich ist,
gekennzeichnet durch eine oder mehrere Hartphasen auf Fe-Basis mit einer Zusammensetzung von < 0,2 Gew.-% C, 26 bis 32 Gew.-% Mo, 8 bis 12 Gew.-% Cr, 2,2 bis 3 Gew.-% Si.

2. Tribologisches System, umfassend einen aus Sinterwerkstoff hergestellten Ventilsitzring und ein unbehandeltes oder zumindest im Sitzbereich gehärtetes und/oder gepanzertes Ventil, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff durch Pressen und Sintern einer Pulvermischung mit einer Zusammensetzung von

a) 5 bis 45 Gew.-% einer oder mehrerer Hartphasen auf Fe-Basis,

b) 0 bis 2 Gew.-% Graphitpartikel, 0 bis 2 Gew.-% MnS-, 0 bis 2 Gew.-% MoS₂-, 0 bis 2 Gew.-% FeP-Pulver,

c) 0 bis 7 Gew.-% Cu- und 0 bis 4 Gew.-% Co-Pulver,

d) 0,1 bis 1,0 Gew.-% eines Presshilfsmittels, und als Rest

e) Schnellarbeitsstahl mit einer Zusammensetzung von 14 bis 18 Gew.-% Cr, 1,2 bis 1,9 Gew.-% C, 0,1 bis 0,9 Gew.-% Si, 0,5 bis 2,5 Gew.-% V, 0,5 bis 2,5 Gew.-% W, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mo, und als Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen, insbesondere durch Ni, Cu, Co, Ca und/oder Mn mit Anteilen < 1,5 Gew.-%,
erhältlich ist,
gekennzeichnet durch eine oder mehrere Hartphasen auf Fe-Basis mit einer Zusammensetzung von < 0,3 Gew.-% C, 26 bis 32 Gew.-% Mo, 14 bis 20 Gew.-% Cr, 2,9 bis 4,2 Gew.-% Si.

3. Tribologisches System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch 0 bis 40 Gew.-% eines reinen Fe-Basispulvers und 0 bis 40 Gew.-% eines Fe-Basispulvers.

4. Tribologisches System, umfassend einen aus Sinterwerkstoff hergestellten Ventilsitzring und ein unbehandeltes oder zumindest im Sitzbereich gehärtetes und/oder gepanzertes Ventil, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff durch Pressen und Sintern einer Pulvermischung mit einer Zusammensetzung von

a) 5 bis 45 Gew.-% einer oder mehrerer Hartphasen auf Fe-Basis,

b) 0,5 bis 9,9 Gew.-% einer Hartphase auf Co-Basis,

c) 0 bis 2 Gew.-% Graphitpartikel, 0 bis 2 Gew.-% MnS-, 0 bis 2 Gew.-% MoS₂-, 0 bis 2 Gew.-% FeP-Pulver,

d) 0 bis 7 Gew.-% Cu- und 0 bis 4 Gew.-% Co-Pulver,

e) 0,1 bis 1,0 Gew.-% eines Presshilfsmittels, und als Rest

f) Schnellarbeitsstahl mit einer Zusammensetzung von 14 bis 18 Gew.-% Cr, 1,2 bis 1,9 Gew.-% C, 0,1 bis 0,9 Gew.-% Si, 0,5 bis 2,5 Gew.-% V, 0,5 bis 2,5 Gew.-% W, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mo, und als Rest Fe sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen, insbesondere durch Ni, Cu, Co, Ca und/oder Mn mit Anteilen < 1,5 Gew.-%.

5. Tribologisches System nach einem der vorstehenden Patentansprüche, gekennzeichnet durch ein im Sitzbereich unbehandeltes Ventil, wobei das Ventil aus einer Mischung mit einer Zusammensetzung in Gew.-% 0,04 bis 0,1 C, bis 1,0 Si, bis 1,0 Mn, bis 0,02 P, bis 0,015 S, 18,0 bis 21,0 Cr, > 65,0 Ni, bis 3,0 Fe, bis 2,0 Co, 1,0 bis 1,8 AI und 1,8 bis 2,7 Ti, oder einer Mischung mit einer Zusammensetzung in Gew.-% bis 0,08 C, bis 0,5 Si, bis 0,5 Mn, bis 0,015 P, bis 0,01 S, 13,5 bis 15,5 Cr, 30,0 bis 33,5 Ni, 0,4 bis 1,0 Mo, 1,6 bis 2,2 AI, 2,3 bis 2,9 Ti, 0,4 bis 0,9 Nb und als Rest Fe, oder einer anderen Nickelbasislegierung besteht.

6. Tribologisches System nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil zumindest im Sitzbereich nitriert und/oder mit einem Material auf Fe- oder Co-Basis gepanzert ist.

7. Tribologisches System nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 und 6, gekennzeichnet durch eine zumindest im Sitzbereich des Ventils ausgebildete Nitrierschicht mit einer Dicke > 10 µm.

8. Tribologisches System nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, 6 und 7, gekennzeichnet durch eine zumindest im Sitzbereich des Ventils ausgebildete Panzerung mit einer Schichtstärke von > 200 µm und einem Co-Gehalt und/oder Fe-Gehalt von > 40%.

9. Tribologisches System nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterwerkstoff während des Sintervorgangs mit einem Infiltranten auf Cu-Basis infiltriert worden ist.

Claims

1. Tribological system, comprising a valve seat ring produced from sintered material and a valve that is untreated or is hardened and/or plated at least in the seat region, characterised in that the sintered material can be obtained by pressing and sintering a powder mixture having a composition of:

a) 5 to 45 wt% of one or more Fe-based hard phases,

b) 0 to 2 wt% graphite particles, 0 to 2 wt% MnS powder, 0 to 2 wt% MoS₂ powder, 0 to 2 wt% FeP powder,

c) 0 to 7 wt% Cu powder and 0 to 4 wt% Co powder,

d) 0.1 to 1.0 wt% of a pressing aid, and a remainder of

e) high-speed steel having a composition of 14 to 18 wt% Cr, 1.2 to 1.9 wt% C, 0.1 to 0.9 wt% Si, 0.5 to 2.5 wt% V, 0.5 to 2.5 wt% W, 0.5 to 2.5 wt% Mo and a remainder of Fe and production-related impurities, in particular of Ni, Cu, Co, Ca, and/or Mn having quantities of <1.5 wt%,
characterised by one or more Fe-based hard phases having a composition of <0.2 wt% C, 26 to 32 wt% Mo, 8 to 12 wt% Cr, 2.2 to 3 wt% Si.

2. Tribological system, comprising a valve seat ring produced from a sintered material and a valve that is untreated or is hardened and/or plated at least in the seat region, characterised in that the sintered material can be obtained by pressing and sintering a powder mixture having a composition of:

a) 5 to 45 wt% of one or more Fe-based hard phases,

b) 0 to 2 wt% graphite particles, 0 to 2 wt% MnS powder, 0 to 2 wt% MoS₂ powder, 0 to 2 wt% FeP powder,

c) 0 to 7 wt% Cu powder and 0 to 4 wt% Co powder,

d) 0.1 to 1.0 wt% of a pressing aid, and a remainder of

e) high-speed steel having a composition of 14 to 18 wt% Cr, 1.2 to 1.9 wt% C,

0.1 to 0.9 wt% Si, 0.5 to 2.5 wt% V, 0.5 to 2.5 wt% W, 0.5 to 2.5 wt% Mo and a remainder of Fe and production-related impurities, in particular of Ni, Cu, Co, Ca, and/or Mn having quantities of <1.5 wt%.
characterised by one or more Fe-based hard phases having a composition of <0.3 wt% C, 26 to 32 wt% Mo, 14 to 20 wt% Cr, 2.9 to 4.2 wt% Si.

3. Tribological system according to claim 1 or 2, characterised by 0 to 40 wt% of a pure Fe base powder and 0 to 40 wt% of a Fe base powder.

4. Tribological system, comprising a valve seat ring produced from a sintered material and a valve that is untreated or is hardened and/or plated at least in the seat region, characterised in that the sintered material can be obtained by pressing and sintering a powder mixture having a composition of:

a) 5 to 45 wt% of one or more Fe-based hard phases,

b) 0.5 to 9.9 wt% of a Co-based hard phase,

c) 0 to 2 wt% graphite particles, 0 to 2 wt% MnS powder, 0 to 2 wt% MoS₂ powder, 0 to 2 wt% FeP powder,

d) 0 to 7 wt% Cu powder and 0 to 4 wt% Co powder;

e) 0.1 to 1.0 wt% of a pressing aid, and a remainder of

f) high-speed steel having a composition including 14 to 18 wt% Cr, 1.2 to 1.9 wt% C, 0.1 to 0.9 wt% Si, 0.5 to 2.5 wt% V, 0.5 to 2.5 wt% W, 0.5 to 2.5 wt% Mo and a remainder of Fe and production-related impurities, in particular of Ni, Cu, Co, Ca, and/or Mn having quantities of <1.5 wt%.

5. Tribological system according to any of the preceding claims, characterised by a valve that is untreated in the seat region, wherein the valve consists of a mixture having a composition in wt% of 0.04 to 0.1 C, up to 1.0 Si, up to 1.0 Mn, up to 0.02 P, up to 0.015 S, 18.0 to 21.0 Cr, >65.0 Ni, up to 3.0 Fe, up to 2.0 Co, 1.0 to 1.8 AI and 1.8 to 2.7 Ti, or a mixture having a composition in wt% of up to 0.08 C, up to 0.5 Si, up to 0.5 Mn, up to 0.015 P, up to 0.01 S, 13.5 to 15.5 Cr, 30.0 to 33.5 Ni, 0.4 to 1.0 Mo, 1.6 to 2.2 AI, 2.3 to 2.9 Ti, 0.4 to 0.9 Nb and a remainder of Fe or another nickel-based alloy.

6. Tribological system according to any of claims 1 to 4, characterised in that the valve, at least in the seat region, is nitrided and/or plated with a material based on Fe or Co.

7. Tribological system according to any of claims 1 to 4 and 6, characterised by a nitriding layer formed at least in the seat region and having a thickness of >10 µm.

8. Tribological system according to any of claims 1 to 4, 6 and 7, characterised by a plating formed at least in the seat region and having a layer thickness of >200 µm and a Co content and/or Fe content of >40%.

9. Tribological system according to any of the preceding claims, characterised in that the sintered material has been infiltrated with a Cu-based infiltrant during the sintering process.

Revendications

1. Système tribologique comprenant un anneau de siège de soupape fabriqué en matériau fritté et une soupape non traitée ou durcie et/ou blindée au moins dans la zone de siège, caractérisé en ce que le matériau fritté peut être obtenu par pressage et frittage d'un mélange de poudre avec une composition de

a) 5 à 45 % en poids d'une ou plusieurs phases dures à base de Fe,

b) 0 à 2 % en poids de particules de graphite, 0 à 2 % en poids de poudre de MnS, 0 à 2 % en poids de poudre de MoS₂, 0 à 2 % en poids de poudre de FeP,

c) 0 à 7 % en poids de poudre de Cu et 0 à 4 % en poids de poudre de Co,

d) 0,1 à 1,0 % en poids d'un adjuvant de compression, et comme reste

e) acier rapide avec une composition de 14 à 18 % en poids de Cr, 1,2 à 1,9 % en poids de C, 0,1 à 0,9 % en poids de Si, 0,5 à 2,5 % en poids de V, 0,5 à 2,5 % en poids de W, 0,5 à 2,5 % en poids de Mo, et comme reste du Fe ainsi que des impuretés dues à la fabrication, en particulier par Ni, Cu, Co, Ca et/ou Mn avec des proportions < 1,5 % en poids,
caractérisé par une ou plusieurs phases dures à base de Fe avec une composition < 0,2 % en poids de C, 26 à 32 % en poids de Mo, 8 à 12 % en poids de Cr, 2,2 à 3 % en poids de Si.

2. Système tribologique comprenant un anneau de siège de soupape fabriqué en matériau fritté et une soupape non traitée ou durcie et/ou blindée au moins dans la zone de siège, caractérisé en ce que le matériau fritté peut être obtenu par pressage et frittage d'un mélange de poudre avec une composition de

a) 5 à 45 % en poids d'une ou plusieurs phases dures à base de Fe,

b) 0 à 2 % en poids de particules de graphite, 0 à 2 % en poids de poudre de MnS, 0 à 2 % en poids de MoS₂, 0 à 2 % en poids de poudre de FeP,

c) 0 à 7 % en poids de Cu et 0 à 4 % en poids de poudre de Co,

d) 0,1 à 1,0 % en poids d'un adjuvant de compression, et comme reste

e) acier rapide avec une composition de 14 à 18 % en poids de Cr, 1,2 à 1,9 % en poids de C, 0,1 à 0,9 % en poids de Si, 0,5 à 2,5 % en poids de V, 0,5 à 2,5 % en poids de W, 0,5 à 2,5 % en poids de Mo, et comme reste du Fe ainsi que des impuretés dues à la fabrication, en particulier par Ni, Cu, Co, Ca et/ou Mn avec des proportions < 1,5 % en poids,
caractérisé par une ou plusieurs phases dures à base de Fe avec une composition < 0,3 % en poids de C, 26 à 32 % en poids de Mo, 14 à 20 % en poids de Cr, 2,9 à 4,2 % en poids de Si.

3. Système tribologique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par 0 à 40 % en poids d'une poudre à base de Fe pure et 0 à 40 % en poids d'une poudre à base de Fe.

4. Système tribologique comprenant un anneau de siège de soupape fabriqué en matériau fritté et une soupape non traitée ou durcie et/ou blindée au moins dans la zone de siège, caractérisé en ce que le matériau fritté peut être obtenu par pressage et frittage d'un mélange de poudre avec une composition de

a) 5 à 45 % en poids d'une ou plusieurs phases dures à base de Fe,

b) 0,5 à 9,9 % en poids d'une phase dure à base de Co,

c) 0 à 2 % en poids de particules de graphite, 0 à 2 % en poids de poudre de MnS, 0 à 2 % en poids de poudre de MoS₂, 0 à 2 % en poids de poudre de FeP,

d) 0 à 7 % en poids de Cu et 0 à 4 % en poids de poudre de Co,

e) 0,1 à 1 % en poids d'un adjuvant de compression, et comme reste

f) acier rapide avec une composition de 14 à 18 % en poids de Cr, 1,2 à 1,9 % en poids de C, 0,1 à 0,9 % en poids de Si, 0,5 à 2,5 % en poids de V, 0,5 à 2,5 % en poids de W, 0,5 à 2,5 % en poids de Mo, et comme reste du Fe ainsi que des impuretés dues à la fabrication, en particulier par Ni, Cu, Co, Ca et/ou Mn avec des proportions < 1,5 % en poids.

5. Système tribologique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par une soupape non traitée dans la zone de siège, dans lequel la soupape se compose d'un mélange avec une composition en % en poids de 0,04 à 0,1 de C, jusqu'à 1,0 de Si, jusqu'à 1,0 de Mn, jusqu'à 0,02 de P, jusqu'à 0,015 de S, 18,0 à 21,0 de Cr, >65,0 de Ni, jusqu'à 3,0 de Fe, jusqu'à 2,0 de Co, 1,0 à 1,8 d'Al et 1,8 à 2,7 de Ti, ou un mélange avec une composition en % en poids jusqu'à 0,08 de C, jusqu'à 0,5 de Si, jusqu'à 0,5 de Mn, jusqu'à 0,015 de P, jusqu'à 0,01 de S, 13,5 à 15,5 de Cr, 30,0 à 33,5 de Ni, 0,4 à 1,0 de Mo, 1,6 à 2,2 d'AI, 2,3 à 2,9 de Ti, 0,4 à 0,9 de Nb et comme reste du Fe, ou d'un autre alliage à base de nickel.

6. Système tribologique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la soupape est nitrurée au moins dans la zone de siège et/ou est blindée avec un matériau à base de Fe ou de Co.

7. Système tribologique selon l'une des revendications 1 à 4 et 6, caractérisé par une couche de nitruration réalisée au moins dans la zone de siège de la soupape avec une épaisseur > 10 µm.

8. Système tribologique selon l'une des revendications 1 à 4, 6 et 7, caractérisé par un blindage réalisé au moins dans la zone de siège de la soupape avec une épaisseur de couche de > 200 µm et une teneur en Co et/ou teneur en Fe > 40 %.

9. Système tribologique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau fritté a été infiltré pendant le processus de frittage avec un infiltrant à base de Cu.