DE60208848T2

DE60208848T2 - Pulvermetallurgische Ventilführung

Info

Publication number: DE60208848T2
Application number: DE60208848T
Authority: DE
Inventors: Yushu Marshall Wang; Sundaram Lakshmi Marshall Narasimhan; Heron Antonio Charlotte Rodrigues
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2002-09-29
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: DE60208848D1; US20030061905A1; KR101015774B1; US6599345B2; JP2006342429A; KR20030028722A; EP1300481B1; JP4638386B2; JP2003183701A; EP1300481A2; JP3848233B2; EP1300481A3; JP4690256B2; JP2006307347A

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Pulvermetallmischungen und insbesondere auf eine neue und verbesserte Pulvermetallmischung, die zur Herstellung einer verbesserten Motorkomponente nützlich ist, wie beispielsweise einer Ventilführung.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Neuere Überlegungen bezüglich der Umwelt haben ein erneutes Interesse an der Entwicklung des sogenannten „0-Emissionen-Motors" erzeugt. Idealerweise ist dies ein Verbrennungsmotor, der nicht irgendwelche Verunreinigungen ausstößt oder auslässt. Eine Quelle von Luftverschmutzung und ein beitragender Faktor dazu in einem Verbrennungsmotor ist das Motorschmieröl, welches in die Brennkammer lecken kann, und zwar durch eine abgenutzte Schnittstelle zwischen Ventilschaft und Ventilführung. Dies ist die Stelle, wo das Ventil hin und her beweglich mit der Ventilführung in Eingriff ist. Neben einer Verschmutzung selbst während der Verbrennung kann das herunterleckende Schmieröl, welches irgendwelchen Schwefel enthält, den katalytischen Wandler bzw. Katalysator aufgrund einer Katalysatorvergiftung beschädigen und kann zur weiteren Luftverschmutzung in Form von Stickoxyden führen.
Der Betriebszyklus eines Verbrennungsmotors ist in der Technik wohl bekannt. Die physikalischen Anforderungen für die Einlass- und Auslassventile, die Ventilführungen und die Ventilsitzeinsätze, um effektiv bei der Abdichtung der Brennkammer zusammenzuwirken, sind genau studiert worden. Es ist bekannt, dass Ventilsitzeinsätze und Ventilführungen unter einer sehr rauen Umgebung bezüglich der mechanischen, thermischen und korrosiven Bedingungen arbeiten, wobei die Härte von der speziellen Motoranwendung abhängt.
In einem Verbrennungsmotor darf Motoröl steuerbar durch die Ventilschaftdichtung zur Ventilführung lecken, um eine Schmierung an der Ventilführungsschnittstelle vorzusehen. Ein Leckageproblem taucht durch Abnutzung auf, und gelegentlich einfach durch die Betriebsspiele, die nötig sind, um eine unterschiedliche Aufheizung zwischen dem Ventilschaft und der Ventilführung aufzunehmen. Ohne ausreichendes Spiel im Betrieb kann der Ventilschaft überhitzen und sich fressen oder innerhalb der Ventilführung festklemmen.
Inzwischen erwarten die Kunden immer mehr Leistung von den Motoren ihrer Fahrzeuge, genauso wie längere und bessere Garantien auf den Antriebsstrang eines Fahrzeuges. Als eine Folge dehnen viele Hersteller die Garantien auf den Antriebsstrang auf mindestens 100.000 Meilen aus. Die Automobilindustrie sucht konstant nach verbesserter Brennstoffausnutzung, gesteigerten Leistungs-/Gewichts-Verhältnissen, niedrigerem Ölverbrauch und besser Zuverlässigkeit für ihre Automobilmotoren.
Neuere Verbesserungen in der Pulvermetallurgie sind eingesetzt worden, um Anforderungen bezüglich guter Abnutzungsbeständigkeit genauso wie guter Wärme- und Korrosionsbeständigkeit zusammen mit geeigneter Bearbeitbarkeit anzusprechen. Die Pulvermetallurgie (PM) gestattet eine große Auswahl aus einer großen Vielzahl von Legierungssystemen, genauso wie sie Flexibilität bei der Konstruktion bietet. Zusätzlich sieht die Pulvermetallurgie eine gesteuerte Porosität für die Selbstschmierung vor und erleichtert die Herstellung von komplexen oder einzigartigen Formen mit Endabmessungen oder sehr nahe an den Endabmessungen.
Pulvermetallurgische Ventilführungen bzw. PM-Ventilführungen sind typischerweise aus relativ niedrig legierten Stählen gemacht, die eine ferritische/perliltitsche Mikrostruktur mit Festschmierstoffen enthält, wie beispielsweise Silikate, freies Graphit, Mangansulflit, Kupfersulfid oder Molybdändisulfid. Die pulvermetallurgische Ventilführung wird auf niedrige bis mittlere Dichte gepresst, wird unter Verwendung von herkömmlichen Sin gepresst, wird unter Verwendung von herkömmlichen Sintertemperaturen gesintert, d.h. weniger als ungefähr 1.150 Grad Celsius, und wird dann an beiden Enden maschinell bearbeitet. Eine innere Bohrung wird durch Reiben geformt. Während es in der Technik bekannt ist, Ventilführungen mit Öl zu imprägnieren, wird das imprägnierte Öl während des Betriebs des Motors nachgefüllt. Die Lebensdauererwartung der Ventilführungen beruht auf dem Motoröl, welches die Schnittstelle zwischen dem Ventilschaft und der Ventilführung schmiert.
Das Ölleckageproblem, das zuvor beschrieben wurde, ist bis jetzt durch Versuche angesprochen worden, die Ölleckage durch die Ventilschaftdichtung zu steuern, indem man eine bessere Dichtung vorsieht und/oder einen Kompromiss zwischen der Schmierung der Ventilführung, um eine ausreichende Lebensdauererwartung vorzusehen, und den nicht wünschenswerten Emissionen zu erreichen, die durch die Verbrennung des Öls in dem Abgassystem erzeugt werden.
Es gibt immer noch eine Notwendigkeit für eine Pulvermetallmischung oder -zusammenstellung zur Anwendung als eine Ventilführung, die den beträchtlich hohen Temperaturen widerstehen kann, denen der Ventilschaft und die Ventilführung ausgesetzt sind, und zwar mit wenig oder keiner Schmierung. Die Pulvermetallmischung muss eine gute thermische Leitfähigkeit haben, um zu gestatten, dass die Ventilführung die Wärme weg vom Ventilschaft an den umgebenden Zylinderkopf leitet, um ein Festfressen oder Klemmen des Ventilschaftes in der Ventilführung zu verhindern. Die Pulvermetallmischung sollte überlegenere Eigenschaften von Abriebs- und Anhaftungsabnutzungsbeständigkeit, Grübchenbildungsbeständigkeit und die Möglichkeit haben auf verschiedenen Arten von Ventilschaftmaterialien und Ventilschaftbeschichtungen zu laufen, was chromplattierte und nitrierte Ventilschäfte mit einschließt, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist.
EP-0 621 347 offenbart ein Ventilführungsglied für Verbrennungsmotoren, welches aus einer Fe-basierten gesinterten Legierung hervorragender Ab nutzungs- und Abriebsbeständigkeit geformt ist, die im Wesentlichen in Gewichtsprozent aus Folgendem besteht: 1 bis 4% C, 1,5 bis 6% Cu, 0,1 bis 0,8% P, und falls erforderlich 0,05 bis 1% Mo, wobei der Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei die Fe-basierte gesinterte Legierung eine Struktur mit einer Matrix hat, die hauptsächlich aus Perlit geformt ist, in dem harte Fe-C-P-Zusammensetzungen und freies Graphit verteilt ist, oder alternativ harte Fe-C-P-Zusammensetzungen, Carbide und freies Graphit, wenn die Legierung Mo enthält, wobei das freie Graphit 0,5 bis 10 Flächen-% des groben freien Graphits mit einem Partikeldurchmesser von 700 bis 500 Mikrometern aufweist.
EP-0 481 763 ist auf ein gesintertes Metallteil mit einem Magnesium-Metasilikat-Mineral oder einem Magnesium-Metasilikat-Mineral und einem Magnesium-Orthosilikat-Mineral oder einem Magnesium-Metasilikat-Mineral und/oder einem Magnesium-Orthosilikat-Mineral und Bornitrit und/oder Mangansulfid verteilt in der Metallmatrix gerichtet. Ein eisenbasiertes gesintertes Gleitglied ist von einer Struktur, in der freies Graphit und ein interkristalliner Einschluss in der Metallmatrix verteilt worden sind, der im Wesentlichen in Gewichtsprozent aus Folgendem besteht: 1,5 bis 4% Kohlenstoff, 1 bis 5% Kupfer, 0,1 bis 2% Zinn, 0,1 bis 5% Phosphor, 0,5 bis 2% eines interkristallinen Einschlusses, und wobei der Rest Fe ist, wobei sie eine gemischte Struktur einer Perlit-Matrix mit einer Steatit-Phase hat, wobei der interkristalline Einschluss ein Magnesium-Metasilikat-Mineral oder ein Magnesium-Metasilikat-Mineral und ein Magnesium-Orthosilikat-Mineral oder ein Magnesium-Metasilikat-Mineral und/oder ein Magnesium-Ortholsilikat-Mineral und Bornitrit und/oder Mangansulfid ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind eine Pulvermetallmischung zur Herstellung eines Pulvermetallteils nach Anspruch 1 und eine Pulvermetallmotorkomponente mit einer chemischen Zusammensetzung nach Anspruch 9 vorgesehen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend ist es ein Ziel, der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Pulvermetallmischung vorzusehen, die nützlich zur Herstellung einer Motorkomponente ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Pulvermetallmischung zu Herstellung einer Pulvermetallventilführung vorzusehen.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Pulvermetallventilführung vorzusehen, die insbesondere zum Betrieb in einer ölarmen Umgebung geeignet ist.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Pulvermetallventilführung mit überlegener thermischer Leitfähigkeit vorzusehen, die als eine bessere Wärmesenke wirkt.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Pulvermetallventilführung vorzusehen, die überlegene Eigenschaften bezüglich der Abriebs- und Anhaftungsabnutzungsbeständigkeit, der Fressbeständigkeit und der Fähigkeit hat, auf verschiedenen Ventilschaftmaterialien und Ventilschaftbeschichtungen zu laufen.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pulvermetallventilführung vorzusehen, die verhindert, dass ein Ventilschaft und eine Ventilführung sich fressen, wenn wenig oder kein Schmiermittel auf der Schnittstelle von Ventilschaft und Ventilführung ist.
Die obigen und andere Ziele der Erfindung werden mit einer verbesserten Pulvermetallmischung erreicht, die zum Betrieb einer harten Motorumgebung geeignet ist. Die vorliegende Erfindung weist eine verbesserte Pulvermetallmischung nach Anspruch 1 auf, die eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent hat, die Folgendes aufweist: Kupfer in einer Menge von 2 bis 10%; ein Festschmiermittel einer Menge von 0,5 bis 5,0%; Graphit in einer Menge von 1,0 bis 3,0%; Bronze in einer Menge von 1,0 bis 8,0%; Eisen und/oder Kupfer-Phosphor in einer Menge von 0,2 bis 1,5%; ein flüchtiges Schmiermittel in einer Menge von 0,3 bis 1,0%; und wobei der Rest Pulver aus niedrig legiertem Stahl ist, welches Mangan in einer Menge von 0,3 bis 1,0% enthält.
Die verschiedenen neuartigen Merkmale, die die Erfindung kennzeichnen, werden genau in den beigefügten Ansprüchen ausgedrückt und bilden einen Teil dieser Offenbarung. Für ein besseres Verständnis der Erfindung, ihrer betrieblichen Vorteile und die speziellen Ziele, die durch ihre Anwendung erreicht werden, wird Bezug genommen auf die beigefügten Beispiele, Zeichnungen und die beschreibende Art und Weise, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ventilanordnung und ihre assoziierte Umgebung veranschaulicht;
2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Ventilanordnung genauer veranschaulicht;
3 ist eine Kurvendarstellung, die einen Effekt des Materials und eines Zyklus auf die Abnutzung von Schaft und Führung veranschaulicht; und
4 ist eine Darstellung der Mikrostruktur eines Pulvermetallventils, welches gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung liegt in einer neuartigen und verbesserten Pulvermetallmischung, die insbesondere für eine Motorkomponente geeignet ist, wie eine Ventilführung für einen Verbrennungsmotor. Es sei bemerkt, dass die Pulvermetallmischung der vorliegenden Erfindung zur Herstellung irgen deines Fahrzeugteils verwendet werden kann und nicht einfach auf eine Ventillführung eingeschränkt ist. In der Beschreibung sind, außer wenn dies anders erwähnt wird, alle Temperaturen in Grad Celsius (°C) und alle Prozentsätze (%) sind in Gewichtsprozent.
Pulvermetallurgische Prozesse können eine kosteneffektive Herstellung nahe der Netto-Form bieten, gestatten jedoch eine Vielseitigkeit bei der Materialauswahl und bei den Behandlungen nach dem Sintern. Die neuartige Materialmischung der vorliegenden Erfindung bietet überlegene Eigenschaften bezüglich der Abriebs- und Anhaftungsabnutzungsbeständigkeit, der Fressbeständigkeit und kann auf vielen verschiedenen Arten von Ventilschäften und Schaftbeschichtungen laufen, die chromplattierte und nitrierte Ventilschäfte mit einschließen.
Die Pulvermetallmischung gemäß der vorliegenden Erfindung ist als Motorkomponente in Motoren für verbleites und unverbleites Benzin, Diesel und Erdgas, sowohl bei leichten Anwendungen als auch bei schweren Anwendungen anwendbar. Auch hat das Pulvermetallteil, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, eine bessere Bearbeitbarkeit und kann als eine Einlass- oder Auslassventilführung eingesetzt werden.
Um besser die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf Motorkomponenten zu verstehen, wird Bezug auf die 1 und 2 genommen, wo eine Ventilanordnung veranschaulicht ist, die im Allgemeinen mit 10 bezeichnet wird, und zwar zur Anwendung in einem Motor. Die Ventilanordnung 10 weist eine Vielzahl von Ventilen 12 auf, die jeweils hin und her beweglich in der inneren Bohrung der Ventilführung 14 aufgenommen sind. Die Ventilführung 14 ist eine rohrförmige Struktur, die in dem Zylinderkopf 24 eingesetzt ist. Das Ventil 12 weist eine Ventilsitzstirnseite 16 auf, die zwischen dem Kopf 26 und der Ausrundung 28 des Ventils 12 angeordnet ist. Der Ventilschaft 30 ist senkrecht nach oben von der Ausrundung 28 gelegen und ist gewöhnlicherweise innerhalb der Ventilführung 14 aufgenommen. Ein Ventilsitzeinsatz 18 ist normalerweise innerhalb des Zylinderkopfes 24 des Motor mon tiert. Der Aufbau dieser Motorkomponenten ist dem Fachmann wohl bekannt. Die vorliegende Erfindung soll nicht auf irgendeine spezielle Struktur eingeschränkt sein, da Modifikationen und alternative Strukturen oder Konstruktionen von verschiedenen Herstellern vorgesehen werden. Diese Ventilanordnungszeichnungen sind nur zu Veranschaulichungszwecken vorgesehen, um ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
Die Pulvermetallmischung der vorliegenden Erfindung weist eine Mischung aus Kupfer, einem Festschmiermittel, Graphit, Bronze, Kupfer-Phosphor und einem flüchtigen Schmiermittel auf, wobei der Rest ein niedrig legiertes Stahlpulver ist, welches Mangan enthält. Die Pulvermetallmischung gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Beimischung von Kupfer in einer Menge von ungefähr 2 bis ungefähr 10% auf, ein Festschmiermittel in einer Menge von ungefähr 0,5 bis ungefähr 5%, Graphit in einer Menge von ungefähr 1 bis ungefähr 3%, Bronze in einer Menge von ungefähr 1 bis ungefähr 8%, Kupfer- und/oder Eisen-Phosphor in einer Menge von ungefähr 0,2 bis ungefähr 1,5%, ein flüchtiges Schmiermittel in einer Menge von ungefähr 0,3 bis ungefähr 1,0%, wobei der Rest ein niedrig legiertes Stahlpulver ist, welches Mangan in einer Menge enthält, die von ungefähr von 0,3% bis ungefähr 1,0% reicht.
Insbesondere weist die Pulvermetallmischung eine Mischung von ungefähr 5 Kupfer (Cu) von ungefähr 2% Festschmierstoff, von ungefähr 2% Graphit, von ungefähr 2% Bronze, von ungefähr 1,0% Kupfer-Phosphor und ungefähr 0,6% flüchtigem Schmiermittel auf, wobei der Rest das niedrig legierte Stahlpulver ist, welches ungefähr 0,6% Mangan (Mn) enthält.
Die Legierungsniveaus der Pulvermetallmischung gemäß der vorliegenden Erfindung sind derart, dass sie die harte Phase und die Festschmierfähigkeit für eine Abnutzungsbeständigkeit insbesondere bei Hochtemperaturanwendungen verbessert, und zwar in einer Umgebung, in der wenig Öl oder nahezu kein Öl vorhanden ist.
Die Zugabe von elementarem Kupfer ergibt eine Festigung in der festen Lösung und verbessert die Abnutzungsbeständigkeit. Das freie Kupfer verbessert auch die Bearbeitbarkeit. Das hier eingesetzte Kupfer soll irgendein Kupfer enthaltendes Pulver aufweisen, wie beispielsweise Partikel von im Wesentlichen reinem Kupfer, Partikel von Kupfer in einer Zumischung mit Legierungselementen und/oder anderen Verstärkungselementen und/oder Partikel von Vorlegierungskupfer, dies soll jedoch nicht darauf eingeschränkt sein.
Das Festschmiermittel bietet Beständigkeit gegen Anhaftung und verbessert die (maschinelle) Bearbeitbarkeit. Lösbare Festschmierstoffe sind hydriertes Magnesiumsilikat (im Allgemeinen als Talkum bezeichnet) in Pulverform, Molybdändisulfid (MoS₂), Kalziumfluorid (CaF₂), Bornitrit (BN), Wolframdisulfid (WS₂), Graphit, ein Silikat-Schmiermittel, ein Sulfid-Schmiermittel, ein Fluorid-Schmiermittel, ein Tellurid-Schmiermitel und Mica bzw. Glimmer. Natürlich kann irgendein herkömmliches Festschmiermittel mit der Mischung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, welches ein anderes Disulfid- oder Fluorid-Festschmiermittel aufweist, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist.
In der Pulvermetallmischung der vorliegenden Erfindung wird Graphit eingesetzt, um eine Matrixfestigkeit, eine harte Phase und eine Festschmierfähigkeit vorzusehen, was eine verbesserte Abnutzungsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit zur Folge hat. Ein Teil des Graphits geht in Lösung und wird primäres Carbid und eutektisches Carbid in der Perlit-Mikrostruktur. Das restliche Graphit wird Festschmierstoff. Wenn es mehr als ungefähr 2,0% freies Graphit in der Vormischung gibt, gehen Komprimierbarkeit und Grünkörperfestigkeit verloren. Der Ausdruck „freies Graphit", wie er hier verwendet wird, soll sich auf das restliche Graphit beziehen, das heißt, das Graphit, welches nicht in Lösung geht. Eine geeignete Quelle für Graphitpulver ist Southwestern 1651, was ein Produkt von Southwestern Industries Inc. ist.
Die Bronze wird hinzugegeben, um eine Bronzephase zu erzeugen, die Eigenschaften der Festschmierfähigkeit und Fähigkeiten gegen Fressen bietet. Das Bronzepulver ist vorzugsweise eine typische Güte 301 mit 90% Kupfer und 10% Zinn, üblicherweise als 90-10-Bronze bezeichnet, und zwar mit einer typischen Partikelgröße mit einer Körnungsgröße von ungefähr 80. Dies ist kommerziell erhältlich von irgendeinem Buntmetall- bzw. Nicht-Eisen-Pulververkäufer, beispielsweise von AcuPowder International LLC.
Das Kupfer-Phosphor (Phosphor III) bietet eine Porenabrundung, eine Matrixfestigkeit und ist ein Sinterhilfsmittel. Vorzugsweise ist das Kupfer-Phosphor ein vorlegiertes Pulver, welches ungefähr 8% Phosphor hat, wobei der Rest Kupfer ist. Eine kommerzielle Quelle für Kupfer-Phosphor ist AcuPowder International LLC.
Das flüchtige Schmiermittel ist ein Pulverschmiermittel und ist in der Technik als „temporär" oder „flüchtig" bekannt, da es während des Sinterungsschrittes abbrennt oder pyrolysiert. Geeignete Schmiermittel weisen herkömmliche wachshaltige oder fettige Materialien wie beispielsweise Stearat, Stearaamid, Lithium-Stearat, Zink-Stearat, Wachse oder kommerziell erhältliche jedoch proprietäre Ethylen-Stearamid-Zusammensetzungen oder Formschmiermittel, die sich beim Sintern verflüchtigen, sind jedoch nicht darauf eingeschränkt. Das bevorzugte flüchtige Schmiermittel ist Acrawax C, welches erhältlich ist von Glyco Chemical Company. Acrawax C hilft dabei, das Fressen von Werkzeugen während der Verdichtung zu verhindern.
Ein geeignetes niedrig legiertes Stahlpulver für die vorliegende Erfindung ist kommerziell verfügbar als MP37R von Domfer oder als 300 MA von Kobelco oder als A1000 von Hoeganaes oder als ASC 100.29 von North American Hoeganaes.
Die Pulvermetallmischung oder -legierung gemäß der vorliegenden Erfindung wird vollständig für eine ausreichende Zeit vermischt, um eine homogene Mischung zu erreichen. Die Mischung wird ungefähr 30 Minuten bis ungefähr 2 Stunden und vorzugsweise für ungefähr 1 Stunde gemischt, um eine homogene Mischung zu Folge zu haben. Irgendwelche geeigneten Mischungsmittel, beispielsweise ein Kugelmischer, können eingesetzt werden.
Die Mischung wird dann mit herkömmlichen Verdichtungsdrücken von ungefähr 40 Tonnen pro Quadratnch (TSI) bis ungefähr 60 Tonnen pro Quadratinch mit einem bevorzugten Druck von ungefähr 50 TSI verdichtet. Im metrischen System sind dies ungefähr 608 bis ungefähr 911 MPa, oder vorzugsweise ungefähr 760 MPa. Der Verdichtungsdruck sollte adäquat sein, um Grünkörper zu einer nahe an der Netto-Form liegenden Form oder sogar auf die Netto-Form zu pressen und zu formen, und zwar mit einer erwünschten Grünköperdichte, die von ungefähr 6,2 g/cm³ bis ungefähr 7,2 g/cm³ reicht und vorzugsweise ungefähr 6,5 g/cm³ ist. Die Verdichtung wird im Allgemeinen mit einer Form mit der erwünschten Form gemacht. Gewöhnlicherweise wird ein niedrigerer Druck als ungefähr 35 TSI kaum verwendet, und Drücke über ungefähr 65 TSI können übermäßig teuer sein, während sie doch nützlich wären. Die Verdichtung kann entweder uniaxial oder isostatisch ausgeführt werden.
Der Grünkörper bzw. Grünling wird dann in einem Sinterofen unter Verwendung von herkömmlichen Sintertemperaturen gesintert, die von ungefähr 1000°C bis ungefähr 1150°C reichen und vorzugsweise auf einer Temperatur von ungefähr 1020°C. Eine höhere Sintertemperatur kann alternativ eingesetzt werden, die von 1250°C bis ungefähr 1350°C reicht und bei vorzugsweise ungefähr 1300°C liegt, und zwar für ungefähr 20 Minuten bis ungefähr 1 Stunde oder vorzugsweise für ungefähr 30 Minuten in einer reduzierenden Atmosphäre einer gasförmigen Mischung aus Stickstoff (N₂) und Wasserstoff (H₂). Das Sintern ist eine Verbindung von benachbarten Oberflächen in dem zusammengepressten Körper bzw. Kompaktkörper durch Aufheizung des Kompaktkörpers bzw. Grünkörpers unter die Flüssigkeitstemperatur des Hauptteils der Bestandteile in dem Grünkörper. Das Sintern wird bei einer Temperatur von ungefähr 1100°C für eine ausreichende Zeitperiode ausgeführt, um eine Diffusionsbindung der Pulverpartikel an ihrem Kontaktpunkt zu bewirken, und um eine integral gesinterte Masse zu formen. Das Sintern wird vorzugsweise in reduzierender Atmosphäre ausgeführt, wie beispielsweise in der Stickstoff-Wasserstoff-Mischung, oder in einem trockenen assoziierten Ammoniak mit einem Taupunkt in der Größenordnung von ungefähr –40°C. Das Sintern kann auch mit einem inerten Gas wie Argon ausgeführt werden, oder in einem Vakuum.
Die Pulvermetallmotorkomponente, die in der obigen Weise hergestellt wird, hat eine chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent, die Folgendes aufweist: 1,5% bis 3,0% C; 4,0% bis 10,0% Cu; bis zu 0,5% Mg; bis zu 1,2% Mn; bis zu 0,8% P; bis zu 0,6% S; bis zu 0,8% Sn, wobei der Rest Fe ist. Von dem gesamten Kohlenstoffgehalt sind 1,0% bis 1,8% des Kohlenstoffgehaltes kombinierter Kohlenstoff. Der Ausdruck „kombinierter Kohlenstoff", wie er hier eingesetzt wird, soll sich auf Kohlenstoff beziehen, der mit anderen Elementen verbunden oder gebunden ist, beispielsweise in Form von Carbiden. Der gesamte Kohlenstoffgehalt weist Kohlenstoff in kombinierter Form genauso wie elementaren Kohlenstoff auf, beispielsweise in Form von reinem Graphit.
Vorteilhafterweise kann das daraus resultierende Produkt entweder in einem Zustand wie gesintert und/oder in einem wärmebehandelten Zustand verwendet werden, genauso wie in einem ölimprägnierten Zustand. Geeignete Wärmebehandlungsbedingungen weisen das Nitrieren, das Karburieren, das Karbonitrieren oder eine Dampfbehandlung der verdichteten Pulvermetallkomponente auf, sind jedoch nicht darauf eingeschränkt. Das daraus resultierende Produkt kann mit Kupfer infiltriert werden, um die thermische Leitfähigkeit zu verbessern. Ein alternatives Ausführungsbeispiel wird genauer hier mit diesem Merkmal beschrieben.
Beim Formen einer Ventilführung kann das Material von den Enden in einer in der Technik bekannten Weise geformt bzw. gepresst werden. Der Prozess der Formgebung von den Enden dient zu zwei Zwecken: Begradigung des Innendurchmessers (ID) der Bohrung, um die Konzentrizität aufrecht zu erhalten, und zusätzliche Verdichtung der Abnutzungsfläche, um weiter die Eigenschaften gegen Fressen zu verbessern. Das Ventilführungsmaterial kann optional mit einem Hochtemperaturöl imprägniert werden, um in einer Umgebung mit Dünnfilmschmierung oder Grenzschmierung zu arbeiten. Das Öl füllt die Poren in der Pulvermetallventilführung und dient als Reservoir, um eine kontinuierliche Schmierung während der Anwendung vorzusehen, und um eine Bearbeitbarkeit während der Herstellung zu verbessern. Weil die Menge des Öls, die imprägniert werden kann, begrenzt ist, kann man sich nicht alleine auf das imprägnierte Öl für die Abnutzungsbeständigkeit verlassen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das heiße Ende der Ventilführung nach dem Sintern mit Kupfer infiltriert, und zwar bis zu ungefähr einem Drittel der Gesamtlänge der Ventilführung. Dieser Bereich ist ausreichend, um effektiv Wärme weg vom Ventil zu leiten. Das „heiße Ende" der Ventilführung ist jenes Ende, welches in dem Zylinderkopf am nächsten am Ventilkopf positioniert ist. Diese Lage ist am nächsten zur Brennkammer. Optional kann der Innendurchmesser der Bohrung durch die Ventilführung halb entbearbeitet sein (ein Schritt, der in der Technik wohl bekannt ist), und kann eluierte bzw. herausgelöste Schwefelsäure dort hindurch leiten bzw. lösen. Der Innendurchmesser der Bohrung durch die Ventilführung wird dann nitriert, entbearbeitet und mit Öl imprägniert. Die Schritte der Kupferinfiltration bis zu ungefähr einem Drittel der Gesamtlänge der Ventilführung, der Nitrierung des Innendurchmessers der Bohrung durch die Ventilführung und das optionale Eluieren bzw. Auslösen von gelöster Schwefelsäure durch den Innendurchmesser vor dem Endbearbeitungsschritt kann mit einer Vielzahl von Pulvermetallmischungen eingesetzt werden, die anders sind als die verbesserte Pulvermetallmischung, die hier beschrieben wurde, um die thermische Leitfähigkeit der Ventilführung zu verbessern. Das Produkt und das Verfahren des alternativen Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere für hohle Ventilschäfte oder mit Natrium oder Kalium oder mit einer anderen Flüssigkeit gekühlte Ventilschäfte geeignet, die ein Festkleben von Ventilschaft und Ventilführung, ein Fressen oder eine Abnutzung auf Grund von nicht ordnungsgemäßer Wärme übertragung erleiden können. Eine bevorzugte Ventilführung, die gemäß dem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, hat eine chemische Zusammensetzung, die in Gewichtsprozent Folgendes aufweist:
Ungefähr 0,5 bis ungefähr 2,0% Kohlenstoff; ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,0% Mangan; kleiner oder gleich ungefähr 0,5% Silizium; kleiner oder gleich ungefähr 5% Festschmierstoff und ungefähr 7 bis ungefähr 20% Kupfer (nach der Infiltration); wobei der Rest Eisen ist.
Eine Ventilführung, die mit der bevorzugten Pulvermetallmischung der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, wurde mit einer Kanten- bzw. Lauftestvorrichtung (Rig Test) bewertet, die im US-Patent 5 271 823 beschrieben und gezeigt wird, die der Anmelderin der vorliegenden Erfindung zu eigen ist. Der Rig-Test bzw. Lauftest gestattet, das Testen der Abnutzungs- genauso wie der Fresscharakteristiken von Motorventilschäften und Ventilführungen. Drei Ventilführungen wurden getestet: eine Ventilführung, die aus einem kommerziell erhältlichen Material gemacht war, das mit EMS 543 bezeichnet wird, eine Ventilführung, die aus EMS 543 mit einer Hochtemperaturölimprägnierung hergestellt wurde (bezeichnet als EMS 543 HTO), und eine Ventilführung, die aus der verbesserten Pulvermetallmischung gemäß der vorliegenden Erfindung gemacht wurde, die mit EXP 1439 bezeichnet wird. EMS 543 hat eine chemische Zusammensetzung von ungefähr 0,5 bis ungefähr 0,9% Kohlenstoff (C); von ungefähr 0,5 bis ungefähr 1,0% Mangan (Mn) von ungefähr 0,15 bis ungefähr 0,35% Schwefel (S); von ungefähr 3,5 bis ungefähr 5,5% Kupfer (Cu); von ungefähr 0,3 bis ungefähr 0,6% Magnesium (Mg), wobei der Rest Eisen und Festschmierstoff ist.
Die Temperaturen von Ventilschaft und Ventilführung für den Rig- bzw. Lauftest wurden auf ungefähr 204°C mit Betätigungen von 10 Hz (für die Simulation der Ventilbewegung) eingestellt. Während die Ölimprägnierung anfänglich verbesserte Ergebnisse zu bieten scheint, beginnt nach ungefähr 20 Stunden die ölimprägnierte Ventilführung. Abnutzung zu zeigen. Nach unge fähr 50 Stunden erscheint die Abnutzung für EMS 543 HTO ähnlich der Ventilführung aus EMS 543. Die Ventilführung, die aus der Pulvermetallmischung der vorliegenden Erfindung gemacht wurde, hat eine beträchtliche Abnutzungsverringerung im Vergleich zu EMS 543 zu Folge, wie in 3 zu sehen. Nach ungefähr 20 Stunden zeigt EMS 543 ein beträchtliches Ausmaß an Abnutzung, 0,42 mm im Vergleich zu 0,02 mm für EXP 1439 (vorliegende Erfindung). Alle Tests wurden mit Vorschmierstoff und ohne Zugabe von zusätzlichem Öl während des Test ausgeführt.
4 ist eine Darstellung der Mikrostruktur einer Pulvermetallventilführung gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine Ventilführung mit dieser Mikrostruktur zeigt optimale Abnutzungsbeständigkeit mit akzeptabler (maschineller) Bearbeitbarkeit. Die Mikrostrukturmatrix zeigt eine maximale Menge von Perlit, was gute Festigkeit und Härte bietet. Die Ferrit-Menge beeinträchtigt die Bearbeitbarkeit und die Abnutzungscharakteristiken. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Ferrit-Menge minimiert. Das Netzwerk aus Carbiden maximiert die Abnutzungsbeständigkeit. Die Kombination von verschiedenen Festschmierstoffen, die Graphit, Talkum, Mangan, Sulfid, Molybdändisulfid und Kalziumfluorid aufweisen, jedoch nicht darauf eingeschränkt sind, optimiert die Bearbeitbarkeit und die Abnutzungscharakteristik. Die Poren in der Mikrostruktur sehen Stellen für die Kupferinfiltration und die Ölimprägnierung vor, um eine maschinelle Bearbeitbarkeit, Abnutzungsbeständigkeit und thermische Leitfähigkeit zu verbessern, wenn sie mit Kupfer infiltriert werden.

Claims

Pulvermetallmischung zur Herstellung eines Pulvermetallteils, wobei die Mischung in Gewichtsprozent Folgendes aufweist: 2,0 bis 10,0 Prozent Cu; 0,5 bis 5,0 Prozent eines festen Schmiermittels; 1,0 bis 3,0 Prozent Graphit, wobei weniger als oder gleich ungefähr 2 Prozent der Mischung freies Graphit aufweist; 1,0 bis 8,0 Prozent Kupfer-Zinn-Bronze-Pulver; 0,2 bis 1,5 Prozent Kupfer-Phosphor und/oder Eisen-Phosphor; 0,3 bis 1,0 Prozent flüchtiges Schmiermittel; und einen Rest eines niedrig legierten Stahlpulvers, welches 0,3 bis 1,0 Prozent Mn enthält.
Pulvermetallmischung nach Anspruch 1, wobei das Festchmiermittel ein aus der folgenden Gruppe ausgewähltes ist: Talkum, MoS₂, CaF₂, WS₂, MnS, Graphit, Silikatschmiermittel, Sulfid-Schmiermittel, Fluorid-Schmiermittel, Tellurid-Schmiermittel und Glimmer.
Pulvermetallmischung nach Anspruch 1, wobei das flüchtige Schmiermittel ein aus der folgenden Gruppe ausgewähltes ist: Zinkstearat, ein Ethylenstearamid-Formschmiermittel, Acrawax C, Stearate, Stearamide, Lithiumstearat und synthetisches Wachsschmiermittel.
Pulvermetallmischung nach Anspruch 1, wobei die Mischung in Gewichtsprozent Folgendes aufweist: 5% Cu; 2,0% Festschmiermittel; 2,0% Graphit; 5,0% Bronze; 1,0% Kupfer-Phosphor und/oder Eisen-Phosphor; 0,6% flüchtiges Schmiermittel; und wobei der Rest ein niedrig legiertes Stahlpulver ist, welches ungefähr 0,6% Mn enthält.
Pulvermetallventilführung, hergestellt aus der Pulvermetallmischung nach Anspruch 1 und mit einer chemischen Zusammensetzung auf Gewichtsprozentbasis, die Folgendes aufweist: 1,5% bis 3,0% C, wobei 1,0% bis 1,8% des Kohlenstoffgehaltes einen kombinierten Kohlenstoff aufweisen; 4,0% bis 10,0% Cu; bis zu 0,5% Mg bis zu 1,2% Mn; bis zu 0,8% P, bis zu 0,6% S; bis zu 0,8% Sn; und und wobei der Rest Fe ist.
Pulvermetallmotorkomponente nach Anspruch 5, wobei die Komponente auf eine Minimaldichte von 6,2 g/cm³ verdichtet ist.
Pulvermetallmotorkomponente nach Anspruch 6, wobei die Dichte 6,4 g/cm³ ist.
Pulvermetallmotorkomponente nach Anspruch 5, wobei die Ventilführung eine ölimprägnierte Ventilführung ist.