Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ein- oder Auslassventil für einen Verbrennungsmotor umfassend einen Ventilteller und einen Ventilschaft, wobei der Ventilschaft mit einer die Laufoberfläche des Ventils bildenden Chromschicht versehen ist sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Solche Ventile sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und beispielsweise in der TRW-Ausgabe "
Bei einem in
Die Anmelderin hat jedoch in Zusammenhang mit hochwertigen und langlebigen Bimetallventilen von Schiffsdieselmotoren, bei denen Ventilteller- und Ventilschaft aus verschiedenen Legierungen bestehen, festgestellt, dass die Chromschicht nach gewisser Betriebsdauer beschädigt wird, was somit lebensdauerbeschränkend für das Ventil sein kann. Infolge der hohen Temperaturbelastung von Auslassventilen tritt der vorstehend genannte nachteilige Effekt dort noch gravierender in Erscheinung. Dies wurde zunächst als eine mehr oder weniger unvermeidliche Folge des abrasiven Verschleißes der Chromschicht angesehen, dem man prinzipiell mit einer größeren Schichtdicke für die Chromschicht begegnen könnte. Dies erweist sich jedoch - auch in Anbetracht der Größe von Auslassventilen in Schiffsdieselmotoren - als äußerst kostenintensiv.
Ferner ist es an sich bekannt, dass eine ein Substrat bedeckende Chromschicht gegebenenfalls auch mit einer darunter liegenden Schicht aus Nickel kombiniert werden kann.
Dies betrifft vor allem Zierteile mit einer dünnen dekorativen Chrom-Oberfläche, bei denen die Chromschicht zwar eine gewisse Schutzwirkung erzielt, jedoch alleine - infolge ihrer geringen Schichtdicke und wegen der unvermeidbaren Mikroporosität von Chromschichten - keinen ausreichenden Korrosionsschutz für solche Zierteile bietet.
Insoweit sei beispielhaft auf die
Schließlich ist es auf anderen Anwendungsgebieten wie bei Hydraulikanlagen oder sonstiger Hardware in maritimer Umgebung an sich bekannt, dass mittels einer stromlos abgeschiedenen Nickelzwischenschicht die Korrosionsschutzwirkung einer Hartchromschicht verbessert werden kann (vgl. z.B. den Artikel "
Bei einem aus
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit möglichst einfachen Mitteln ein Ein- oder Auslassventil der eingangs genannten Art hinsichtlich der Lebensdauer seiner Beschichtung zu verbessern und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines solchen Ventils bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird von einem Ein- oder Auslassventil nach Anspruch 1 gelöst. Dieses ist - neben den eingangs genannten Merkmalen - erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Basismaterial des Ventilschafts und der Chromschicht eine Nickelschicht vorgesehen ist und dass ferner die Chromschicht eine größere Schichtdicke als die darunter liegende Nickelschicht aufweist.
Das erfindungsgemäße Ventil ist wegen der rissfreien Nickelzwischenschicht wesentlich besser gegen korrosive Einflüsse,geschützt, wobei die darüber liegende Chromschicht mit größerer Schichtdicke als äußere Lauffläche für den Ventilschaft dient. Es zeigt sich, dass bei einem erfindungsgemäßen Ventil der unerwünschte Effekt einer frühzeitigen Beschädigung der Chrombeschichtung - auch unter höchst korrosiven Umgebungsbedingungen - nicht mehr auftritt, was eine maßgeblich erhöhte Lebensdauer zur Folge hat. Die Beschädigung der direkt auf das Basismaterial des Ventilschafts abgeschiedenen Chromschicht stellt sich somit nicht nur als Folge eines durch Reibung verursachten abrasiven Verschleißes dar, sondern ist wesentlich durch korrosive Einflüsse bestimmt. Dies gilt insbesondere für Nasskorrosion, wie sie z.B. durch Salzwasser, wasserhaltigen Schmieröle oder schwefelhaltigen Abgase (bei deren Kondensation im Bereich des Austrittsventils) auftreten kann.
Im Rahmen der Erfindung ist von Bedeutung, dass Chrom selbst infolge einer Cr2O3-Passivierung durchaus korrosionsbeständig ist. Bei direkter Beschichtung der Lauffläche eines gattungsgemäßen Ventils mit Chrom wird somit trotz der üblicherweise vorhandenen Schichtdicke von mehreren 10 µm letztlich nicht die Chromschicht als solche korrosiv angegriffen, sondern es kommt zu einer Korrosion des darunter liegenden Basismaterials, was dann die Haftung der Chromschicht auf dem Basismaterial des Ventilschafts verschlechtert bis diese abblättert. Auch Chromschichten mit Schichtdicken von mehreren 10 µm weisen nämlich noch eine Mikroporosität mit einer Rissstruktur auf, die eine korrosive Schädigung des darunter liegenden Basismaterials nicht zuverlässig ausschließt.
Die im Rahmen der Erfindung vorgesehene Nickelzwischenschicht kann ungeachtet ihrer im Vergleich zur Chromschicht geringeren Schichtdicke diesem Effekt entgegentreten, was letztlich die erwünschte Lebensdauerverlängerung für das Auslassventil zur Folge hat. Außerdem können bei einem erfindungsgemäßen Ventil nun auch - im Vergleich zum vorbekannten Stand der Technik - dünnere Chromschichten Verwendung finden, die im Wesentlichen nur noch hinsichtlich des über die Lebensdauer des Ventils zu erwartenden abrasiven Verschleißes ausgelegt sein müssen.
Als besonders geeignet erweist sich die erfindungsgemäß vorgesehene Mehrfachbeschichtung des Ein- oder Auslassventils mit einer Nickel-Chrom-Verbundschicht auch im Hinblick darauf, dass die Nickelzwischenschicht - auch unter hoher Temperaturbelastung - besonders gut auf den üblicherweise als Basiswerkstoff verwendeten Ventilstählen der Ein- bzw. Auslassventile von Verbrennungsmotoren haftet. Ein etwaiger Härteverlust der Nickelschicht bei hohen Temperaturen, wie sie im Bereich des Austrittsventils auftreten, ist nicht von Bedeutung, da die dem abrasiven Verschleiß ausgesetzte Laufoberfläche für den Ventilschaft durch die darüber liegende Chromschicht gebildet wird.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Chromschicht sollte bevorzugt eine Schichtdicke von mehr als 12 µm aufweisen, wobei man sich in vorteilhafter Weise auf einen Schichtdickenbereich von etwa 20 - 60 µm beschränken kann. Für die Nickelschicht erweisen sich demgegenüber bereits Schichtdicken im Bereich von 5 - 20 µm als ausreichend, um im Rahmen der vorliegenden Erfindung den Korrosionsschutz insgesamt so zu verbessern, dass die Chromschicht ihrer eigentlichen Aufgabe als Gleitfläche entsprechen kann - ohne gleichzeitig einer verschlechterten Haftung durch Korrosion des Basismaterials ausgesetzt zu sein.
Besonders bevorzugt betrifft das Ventil der vorliegenden Erfindung ein Bimetallventil, wobei dann in vorteilhafter Weise dafür zu sorgen ist, dass der Übergangsbereich zwischen den beiden Metallen wenigstens von der Nickelschicht überdeckt ist. Dieser Ausführungsvariante der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass Bimetallventile im Übergangsbereich der üblicherweise reibverschweißten Metall- bzw. Ventilstahllegierungen in besonderem Maße einer schädlichen Korrosion ausgesetzt sind. In Anwesenheit eines Elektrolyten (z.B. einer Salz- oder Säurelösung) erfolgt nämlich an der Schweißnaht und in deren Nähe (also im Übergangsbereich der beiden Werkstoffe) eine verstärkte Korrosion der weniger edlen Materialkomponenten der verschiedenen Legierungen durch Bildung eines galvanischen Paars. Ein vergleichbarer Effekt ergibt sich auch bei Ventilen mit so genannter Sitzpanzerung, also bei aus üblichem Ventilstahl hergestellten Ventilen, bei denen der Ventilsitz mit einem Werkstoff höherer Güte (z.B. mit Stellite, einer besonders harten Co-Basislegierung) gepanzert ist. Auch hier kann es im Übergangsbereich zwischen Panzerung und dem Basiswerkstoff des Ventils zu einer erhöhten Korrosionsbildung kommen.
Dieser Korrosion kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung effektiv vorgebeugt werden, wenn der Übergangsbereich - wie vorstehend beschrieben - wenigstens von der einen guten Korrosionsschutz bietenden Nickelschicht überdeckt ist. In diesem Bereich, der üblicherweise nicht mehr der Lauffläche des Ventilschafts zuzurechnen ist, muss die Nickelschicht also nicht zwangsläufig mit der im Bereich des Ventilschafts vorzusehenden Chromschicht bedeckt sein.
Die Nickelschicht kann somit in bevorzugter Weise - was im Übrigen auch als eigenständige Weiterbildung der Erfindung angesehen wird - einen größeren Bereich des Ventils überdecken, als die zu Gleitzwecken lediglich im Schaftbereich zwingend vorzusehende Chromschicht, die dann die Nickelschicht also nur teilweise überdeckt. Dabei ist von Vorteil, dass sich eine solche Beschichtung im Rahmen des später erläuterten Herstellungsverfahrens in besonders einfacher Weise herstellen lässt.
Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Nickelschicht handelt es sich in vorteilhafter Weise um eine galvanisch aufgebrachte Nickelschicht, wobei im Rahmen der Erfindung bevorzugt eine Halbglanznickelschicht angestrebt ist. Alternativ kann jedoch auch eine chemisch aufgebrachte (Hochglanz-)Nickelschicht vorgesehen sein.
Bei der Chromschicht handelt es sich im Rahmen der Erfindung bevorzugt um eine Hartchromschicht, damit ein ausreichender Verschleißschutz gewährleistet ist. Es handelt sich im Übrigen sowohl bei der Nickel- als auch bei der Chromschicht bevorzugt um reine Nickel- bzw. Chromschichten, also nicht um entsprechende Legierungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der vorstehend erläuterten Ventile umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
Dabei ist ersichtlich unerheblich, ob der vorstehend zuletzt genannte Verfahrensschritt vor oder nach dem Aufbringen der Chromschicht durchgeführt wird, so dass es insoweit nicht auf die Reihenfolge der angegebenen Verfahrensschritte ankommt.
Es versteht sich von selbst, dass die vorstehenden Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Ventil in gleicher Weise auf das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren übertragbar sind.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Das in der Zeichnung dargestellte Auslassventil 1 wurde zunächst galvanisch mit einer ca. 15 µm dicken Nickelschicht 6 beschichtet, wobei für das Galvanisieren vorteilhaft der Bereich des Ventilsitzes 4 als Kontaktfläche dient und im übrigen lediglich das eine Klemmrille 8 aufweisende Schaftende 7 unbeschichtet bleibt. Hierzu wird das Schaftende 7 beim Galvanisieren mittels einer Gummikappe (nicht dargestellt) maskiert. Anschließend wird der Ventilschaft 2 bzw. die in diesem Bereich bereits vorhandene Nickelschicht 6 mit einer die Laufoberfläche des Ventils 1 bildenden Chromschicht 9 überzogen, wobei die Chromschicht mit einer Schichtdicke von 40 µm dicker als die Nickelschicht 6 ist. Sowohl die Nickelschicht 6 als auch die Chromschicht 9 sind in
Aus der Zeichnung ist gut ersichtlich, dass die Nickelschicht 6 im Vergleich zur Chromschicht 9 einen größeren Teil des dargestellten Auslassventils 1 überdeckt. Vorliegend ist sogar die Unterseite 10 des Ventiltellers von der Nickelschicht 6 überzogen. Insbesondere überdeckt die Nickelschicht 6 jedoch auch den Übergangsbereich 5 des dargestellten Bimetallventils, so dass erfindungsgemäß auch in diesem Bereich für einen effektiven Korrosionsschutz gesorgt ist. Die Chromschicht 9 ist hingegen nur im Bereich des Ventilschafts 2 appliziert.
Bei dem in
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde ausschließlich zur Information des Lesers aufgenommen und ist nicht Bestandteil des europäischen Patentdokumentes. Sie wurde mit größter Sorgfalt zusammengestellt; das EPA übernimmt jedoch keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.