AT502249A2 - Zylinderkopf - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf aus Grauguss für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einer in einen Brennraum mündenden Öffnung für einen Gaswechselkanal, welche durch ein Hubventil verschliessbar ist, wobei das Hubventil im geschlossenen Zustand auf einen durch den Zylinderkopf gebildeten Ventilsitz aufliegt. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieses Zylinderkopfes.
Es ist bekannt, zur Herstellung eines Ventilsitzes für einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ein Zusatzmaterial durch Einbringen von Energie an derjenigen Stelle mit dem Zylinderkopf zu verschmelzen, an welcher der Ventilsitz gebildet werden soll. Derartige Ventilsitze und Verfahren zu deren Herstellung sind aus den Veröffentlichungen WO 2004/048756 AI, DE 199 12 889 AI, DE 103 29 912 B4 oder WO 99/02839 AI bekannt.

   Weiters ist aus der DE 102 18 563 AI ein Verfahren zur Ventilsitz-Herstellung unter Verwendung eines Laserplattier-Prozesses bekannt.
Ferner ist es bekannt, das Gefüge von metallischen Gusswerkstoffen durch lokale Aufschmelzvorgänge zur Erhöhung des Verschleisswiderstandes zu verändern.
Aufschmelzverfahren sind relativ aufwändig und kostenintensiv, da ein vom Gussgefüge unterschiedliches verschleissfestes Material aufgebracht werden muss.
Weiters ist es bekannt, Ventilsitze induktiv zu härten.

   Nachteilig ist allerdings, dass die Struktur von induktiv gehärteten Sitzen bei höheren Temperaturen, wie sie zum Beispiel an Auslassventilen von aufgeladenen Brennkraftmaschinen erreicht werden können, nicht ausreichend stabil ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Zylinderkopf der eingangs genannten Art auf möglichst einfache Weise stabile und verschleissfeste Ventilsitze zu erzeugen.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass das Gussgefüge im Bereich des Ventilsitzes umgeschmolzen wird. Es wird dabei kein Material hinzugefügt, sonder nur das ursprüngliche Gussgefüge umgeschmolzen.
Um die Rissgefahr, sowie die Neigung zum Verziehen zu reduzieren, ist es vorteilhaft, wenn das Bauteil vor dem Umschmelzvorgang auf eine Temperatur oberhalb der Martensit-Starttemperatur (ca. 300[deg.]C) des Gusswerkstoffes vorgewärmt wird.

   Der Umschmelzvorgang wird bevorzugt in einem Laser-Umschmelzvorgang durchgeführt. _ *y _
In der Umschmelzzone entsteht aus der Schmelze durch rasches Abkühlen ein ledeburitisches Gefüge. Die Erstarrung ist im Wesentlichen durch die hohe Wärmeleitung von der Schmelze in das Grundmaterial definiert. Die Erstarrungsfront bewegt sich daher von der Aufschmelzgrenze in Richtung der Bauteiloberfläche, wodurch die gerichtete Struktur das Ledeburit entsteht. Weiters transportiert die Erstarrungsfront Defekte an die Oberfläche.

   Diese werden mit der Endbearbeitung beseitigt.
Um die beim Umschmelzen entstehende Deformation sowie Oberflächenwelligkeiten ausgleichen zu können, ist eine Zugabe zu berücksichtigen, die dann nach dem Umschmelzen zum Beispiel gemeinsam mit der Ventilführung bearbeitet wird.
Zum Unterschied zu bekannten Aufschmelzverfahren wird beim erfindungsgemässen Verfahren kein Material zugeführt, sondern nur das Gussgefüge umgeschmolzen. Der Ventilsitz besteht somit aus dem Gusseisen-Grundwerkstoff des Zylinderkdpfes.
Durch den Umschmelzvorgang wird somit ein verschleissbeständiges Gefüge des Ventilsitzes erreicht, ohne dass ein Ventilsitzring eingepresst werden muss.

   Dadurch wird ein radialer Presssitz vermieden, es ergibt sich eine bessere Wärmeabfuhr im Bereich des Ventilsitzes und es werden Bauraum und Fertigungskosten eingespart.
Im Vergleich zu induktiv gehärteten Ventilsitzen bleibt das umgeschmolzene Gefüge auch bei Temperaturen, wie sie etwa an Auslassventilen von aufgeladenen Motoren erreicht werden, stabil.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand den Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 den Ventilsitzbereich eines Zylinderkopfes im Schnitt nach der Bearbeitung und Fig. 2 diesen Ventilsitzbereich nach dem Umschmelzvorgang vor der Endbearbeitung.
Der Zylinderkopf 1 aus Grauguss für eine Hubkolbenmaschine, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, weist zumindest eine in einen Brennraum 8 mündende Gaswechselöffnung 2 für einen Gaswechselkanal 3 auf, welche durch ein Hubventil 4 erschliessbar ist.

   Das Hubventil 4 sitzt im geschlossenen Zustand auf einem durch den Zylinderkopf 1 selbst gebildeten Ventilsitz 5 auf. Der Ventilsitz 5 ist durch einen lokalen Laser-Umschmelzvorgang gehärtet, wobei das Gussgefüge 6 im Bereich des Ventilsitzes 5 auf Schmelztemperatur gebracht wird. Vor dem eigentlichen Umschmelzvorgang wird der Zylinderkopf 1 auf eine Vorwärmtemperatur (ca. 300[deg.]C) des jeweiligen Werkstoffes erwärmt, um die Neigung zum Verziehung, sowie die Rissgefahr zu reduzieren. Durch rasches Abkühlen entsteht in der Umschmelzzone aus der Schmelze ein ledeburitisches Gefüge.

   Dadurch ergibt sich im Ventilsitzbereich 5 eine defektfreie, fein strukturierte Umschmelzschicht mit hoher Härte (500-600 Hv 5) und guter Duktilität, welche einen hohen Widerstand gegen Verschleiss und gegen Ermüdung aufweist.
Um die beim Umschmelzen entstehende Deformation, sowie Welligkeit ausgleichen zu können, ist eine Zugabe 7 zu berücksichtigen, die dann nach dem Umschmelzen beispielsweise gemeinsam mit der Ventilführung bearbeitet werden.

Claims (5)

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1. Zylinderkopf (1) aus Grauguss für eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einer in einen Brennraum (8) mündenden Öffnung (2) für einen Gaswechselkanal (3), welche durch ein Hubventil (4) verschliessbar ist, wobei das Hubventil (4) im geschlossenen Zustand auf einen durch den Zylinderkopf (1) gebildeten Ventilsitz (5) aufliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussgefüge (6) im Bereich des Ventilsitzes (5) durch einen Umschmelzvorgang, vorzugsweise durch einen Laser-Umschmelzvorgang, gehärtet ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussgefüge (6) im Bereich des Ventilsitzes (5) umgeschmolzen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussgefüge (6) vor dem Umschmelzvorgang auf eine Vorwärmtemperatur vorgewärmt wird, wobei vorzugsweise die Vorwärmtemperatur oberhalb der Martensit-Starttemperatur des Gusswerkstoffes des Zylinderkopfes (1) liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschmelzen des Gussgefüges (6) durch einen Laserumschmelzvorgang erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das umgeschmolzene Gussgefüge (6) beschleunigt abgekühlt wird, so dass ein ledeburitisches Gefüge entsteht.

2006 05 26 Fu/Sc

Pate

Dipl.-Ing.

A-1150 Wien, M[beta]riahllftr Gürtel 39/17

Tel.: (+43 1) 8528133-0 Ux (+43 1) 89289333 e-mail: paterrt[beta]habelokist <EMI ID=4.1>