DK173136B1 - Bevægeligt vægelement i form af en udstødsventilspindel eller et stempel i en forbrændingsmotor. - Google Patents

Description

> i DK 173136 B1

Opfindelsen angår et bevægeligt vægelement i form af en udstødsventilspindel eller et stempel i en forbrændingsmotor, navnlig en totakts krydshovedmotor, hvilket vægelement på sin ind mod et forbrændingskammer 5 vendende side er forsynet med et varmkorrosionsbe-standigt materiale, der er dannet af partikelformet udgangsmateriale af en nikkel- og chromholdig legering, der ved en HIP-proces er forenet til et sammenhængende materiale i det væsentlige uden opsmeltning af udgangs-10 materialet.

Med varmkorrosionsbestandigt materiale skal i den foreliggende sammenhæng forstås et materiale, der ved en driftstemperatur beliggende i intervallet fra 550eC til 850°C er modstandsdygtigt mod korrosion i det miljø, 15 der forekommer i forbrændingskammeret i en forbrændingsmotor.

Der kendes fra praktisk bygning af store totakts dieselmotorer af fabrikatet MAN B&W Diesel en udstødsventilspindel af compoundtypen, hvor et spindel-20 grundlegeme på undersiden af ventiltallerkenen og i sædeområdet ved en HIP-process er forsynet med et lag af varmkorrosionsbestandigt materiale af legeringen Nimonic 80A, der er chrom- og nikkelholdig med 16-21%

Cr og omtrent 75% Ni. Udover korrosionsbestandigheden 25 har denne legering en sådan hårdhed, ca. 400 HV20, at den er velegnet som ventilsædemateriale. Ventilsædeme skal traditionelt set have stor hårdhed for at modvirke dannelsen af indtrykningsmærker i tætningsfladerne, når restpartikler fra forbrændingsprocessen klemmes fast 30 mellem sædefladerne ved ventillukningen.

Fra EP-A 0 521 821 er det kendt at anvende legeringen Inconel 671 som hårdpålægnings legering i ventilsædeområdet. Denne legering omfatter 0,04-0,05% C, 47-49%

Cr, 0,3-0,40% Ti og resten Ni. Ventilsædeområdet er 35 beliggende på ventiltallerkenens overside som en DK 173136 B1 2 rundtgående ringformet belægning. Det er som nævnt en forudsætning for sædeområder, at legeringen har stor hårdhed. Det nævnes i EP skriftet, at Inconel 671 skulle have dårligere korrosionsbestandighed end legeringen 5 Inconel 625, der ligeledes foreslås som hårdpålægnings-materiale.

Fra ansøgerens endnu ikke offentliggjorte DK-A 1428/94 kendes en udstødsventilspindel med en påsvejst hårdpålægningslegering med analysen 40-51% Cr, 0-0,1% 10 C, mindre end 1,0% Si, 0-5,0% Mn, mindre end 1,0% Mo, 0,05-0,5% B, 0-1,0% Al, 0-1,5% Ti, 0-0,2% Zr, 0,5-3,0%

Nb, et samlet indhold af Co og Fe på højst 5,0%, højst 0,2% O, højst 0,3% N og resten Ni. Dette ventilsædemateriale bibringes efter påsvejsningen en stor hårdhed 15 på eksempelvis 550 HV20 ved hjælp af en varmebehandling ved en temperatur på over 550° C.

Det er almindeligt antaget, at chrom- og nikkel-holdige varmkorrosionsbestandige legeringer modnings-hærdner ved temperaturer i intervallet 550-850°C, dvs.

20 legeringen bliver hårdere og mere sprød. Til støbte emner er det for opnåelse af fremragende varmkorrosions-resistens, navnlig i miljøer indeholdende svovl og vanadium fra heavy fuel olies forbrændingsprodukter, kendt at anvende en legering af typen 50% Cr 50% Ni 25 eller legeringen af typen IN 657, der består af 48-52%

Cr, 1,4-1,7% Nb, højst 0,1% C, højst 0,16% Ti, højst 0,2% C+N, højst 0,5% Si, højst 1,0% Fe, højst 0,3% Mg og resten Ni. Efter støbningen omfatter legeringen en nikkelrig γ-fase og en chromrig α-fase, hvor begge faser 30 afhængende af legeringens nøjagtige analyse kan udgøre den primære dendritstruktur. Det er kendt, at disse legeringer modningshærdner ved driftstemperaturer på over 600°C. Dette skyldes, at legeringen ved afkølingen ikke størkner i ligevægtstilstanden. Når legeringen 35 efterfølgende befinder sig ved driftstegiperaturen sker DK 173136 B1 3 der ved omdannelse af den overrepræsenterede faseandel udskillelser af den underrepræsenterede faseandel, hvilket medfører en forsprødning karakteriseret ved en duktilitet på mindre end 4% ved stuetemperatur. Grundet 5 disse relativt ringe styrkeegenskaber, har legeringerne udelukkende været anvendt til lavtbelastede støbte emner.

I den tekniske artikel "Review of operating experience with current valve materials" udgivet af The 10 Institute of Marine Engineers, London i 1990 gives en oversigt over anvendelige pålægningslegeringer til udstødsventiler til dieselmotorer, og problemerne med varmkorrosion i dieselmotorer beskrives detaljeret. Artiklen er specielt rettet på forholdene ved udstøds-15 ventilenspindlens tætningsflader.

På undersiden af ventilenspindlen og på oversiden af stemplet skal det varmkorrosionsbestandige materiale begrænse korrosionsangrebene, så ventilspindlen og/eller stemplet opnår en fordelagtig lang levetid. Stempel-20 oversiden og ventiltallerkenens underside har store arealer og udsættes derfor for betydelige termiske spændinger, når motorens belastning ændres, eksempelvis ved igangsætning eller standsning af motoren. Varmepåvirkningen er størst ved midten af arealerne, dels fordi 25 forbrændingsgasserne har højest temperatur nær midten af forbrændingskammeret, dels fordi stemplet og ventilspindlen køles ved arealernes randområder. Ventiltallerkenen køles nær sædeområderne på oversiden, hvor der er kontakt til det vandkølede stationære ventilsæde, 30 mens ventilen er lukket, og for stemplets vedkommende bortledes der varme til den vandkølede cylinderforing gennem stempelringene i tillæg til oliekølingen af ^ stempelundersiden. Det koldere perifere materiale hindrer varmeudvidelsen af det varmere centrale materia-35 le, hvorved der opstår betydelige termiske spændinger.

DK 173136 B1 4

Der er velkendt, at de langsomtvarierende, men store termiske spændinger forårsaget af de nævnte termiske påvirkninger kan fremkalde stjerneformede revnemønstre, som udgår fra midten af vent il tallerkenens 5 underside. De stjerneformede revner kan blive så dybe, at det varmkorrosionsbestandige materiale gennembrydes, så det underliggende materiale udsættes for korrosions-påvirkningen og nedbrydes, hvilket fører til svigt af udstødsventilen.

10 Den foreliggende opfindelse har til formål at anvise en udstødsventilspindel eller et stempel med fordelagtig lang levetid af det varmkorrosionsbestandige materiale.

Med henblik herpå er det i indledningen af krav 1 15 angivne vægelement ifølge opfindelsen ejendommeligt ved, at det korrosionsbestandige materiale udtrykt i vægtprocent og bortset fra almindeligt forekommende urenheder og uundgåelige restmængder af desoxiderende bestanddele omfatter fra 38 til 75* Cr og eventuelt fra 0 til 0,15* 20 c, fra 0 til 1,5* Si, fra 0 til 1,0* Mn, fra 0 til 0,2* B, fra 0 til 5,0 % Fe, fra 0 til 1,0* Mg, fra 0 til 2,5*

Al, fra 0 til 2,0* Ti, fra 0 til 8,0* Co, fra 0 til 3,0*

Mb, samt eventuelle bestanddele af Ta, Zr, Hf, W og Mo, og resten Ni, idet summen af Al og Ti andrager højst 25 4,0*, og summen af Fe og Co andrager højst 8,0*, og summen af Ni og Co andrager mindst 25*, og at det korrosionsbestandige materiale har en hårdhed på mindre end 310 HV målt ved omtrent 20°C efter at materialet har været opvarmet til en temperatur beliggende i inter-30 vallet 550-850°C i mere end 400 timer.

Det har helt overraskende vist sig, at det ved HIP-processen frembragte materiale med denne sammensætning ikke hærdner ved de driftstemperaturer, som det bevægelige vægelement udsættes for i en forbrændingsmotor, 35 og det er således muligt at opretholde en fordelagtig DK 173136 B1 5 lav hårdhed på mindre end 310 HV20 og medfølgende passende duktilitet af det varmkorrosionsbestandige materiale på den ind mod forbrændingskammeret vendende side af det bevægelige vægelement. Den lave hårdhed 5 begrænser eller hindrer dannelsen af revner i materialet, og vægelementets levetid begrænses dermed ikke af udmattelsesbrud i materialet. Det er endvidere en fordel ved opfindelsen, at materialet bevarer meget fine mekaniske egenskaber selv efter lang tids varmepåvirk-10 ning. Således bevarer materialet en høj trækstyrke kombineret med stor duktilitet, hvilket er helt usædvanligt for nikkellegeringer med højt chromindhold. Disse egenskaber muliggør, at det korrosionsbestandige materiale også kan erstatte i det mindste en del af 15 vægelementets sædvanlige bærende materiale, så vægelementet kan udformes med lavere vægt end i de kendte vægelementer, hvor det korrosionsbestandige materiale er placeret som en belægning uden på det styrkemæssigt nødvendige materiale. Denne vægtmindskning er for-20 delagtig i forbrændingsmotorer, fordi mindre vægt betyder mindre energiforbrug til bevægelse af vægelementet og lavere påvirkninger på de motordele, der samvirker med vægelementet. Der er desuden tale om en materialebesparende virkning. Samtidig er materialet med 25 det høje indhold af chrom særdeles modstandsdygtig over for varmkorrosion, så en jævntfordelt erosion af materialet tager væsentlig længere tid end i vægelementer med belægninger af de tidligere kendte chrom- og nikkelholdige materialetyper.

30 For at undgå betydelig hærdning af det varmkorro- sionsbestandige materiale, når ventilen eller spindlen tages i brug, er det væsentligt, at det partikelformede udgangsmateriale hverken gennemsmeltes eller udsættes for betydelig mekanisk deformation ved fremstillingen 35 af vægelementet. Ved HIP-processen forenes det partikel- DK 173136 B1 6 formede udgangsmateriale blandt andet ved diffusionsbaseret nedbrydning af grænserne mellem partiklerne, hvilket bevarer partiklernes meget tætte dendritiske struktur med nærtliggende dendritarme. Ved de tidligere 5 kendte nikkelbaserede hårdpålægninger med chromindhold på mellem 40 og 52% smeltes udgangsmaterialet i forbindelse med støbning eller svejsning, og ved efterfølgende opvarmning til temperaturer på over 550eC udløses den i disse materialer iboende tendens til 10 modnings- eller udskillelseshærdning til stor hårdhed.

Der kan indtil videre ikke i metallurgisk henseende redegøres tilfredsstillende for, hvorfor hærdemekanismen er undertrykt i det HIP-fremstillede materiale i vægelementet ifølge opfindelsen, men det har over-15 raskende vist sig at være tilfældet.

Hvis materialets indhold af chrom bliver mindre end 38% opnås der ikke den ønskede resistens mod varmkorrosion. Ved overfladen af vægelementet reagerer chrom med ilt og danner et overfladelag af Cr203, der beskytter 20 det underliggende materiale mod påvirkningerne fra de korrosive restprodukter fra forbrændingen. Hvis indholdet af chrom overstiger 75%, bliver materialets nikkelindhold for lille, og der kan desuden ved de høje temperaturer anvendt ved HIP-processen ske uønskede 25 lokale omdannelser til ren cr-fase, dvs. en chromrig fase uden dendritstruktur, α-fasen er skør og med tiltagende andele af denne fase i strukturen påvirkes materialets duktilitet i negativ retning. Det foretrækkes, at materialets indhold af chrom er større end 49% for 30 derved at forøge korrosionsbestandigheden.

Materialet skal indeholde en samlet mængde af cobolt og nikkel på mindst 25% for at have den ønskede duktilitet, der modvirker revnedannelser. Bortset fra ovennævnte nedre grænse for chromindholdet er der ingen 35 strukturbegrundet øvre grænse for indholdet af nikkel.

DK 173136 B1 7

Hvis indholdet af C overstiger 0,15% kan der på partikeloverfladerne udskilles uønskede carbidgrxnselag ligesom der også kan ske udskillelser af hårdhedsøgende carbider, såsom NbC, WC eller TiC. Afhængigt af mængder-5 ne af materialets øvrige bestanddele kan C endvidere danne uønskede chromcarbider. For at opnå stor sikkerhed mod udskillelse af carbidforbindelser foretrækkes, at indholdet af C er mindre end 0,02%, men da C er en almindeligt forekommende urenhed i mange metaller kan 10 det af økonomiske grunde være hensigtsmæssigt at indholdet af C kun begrænses til højst 0,08%.

Et indhold af silicium på op til 1,5% kan bidrage til forbedret korros ionsbe s tandighed, idet Si ved materialets overflade danner siliciumoxider, der er 15 meget stabile i det miljø, der forekommer i en dieselmotors forbrændingskammer. Hvis indholdet af Si overstiger 1,5% kan der udskilles uønskede mængder af hårdhedsøgende silicider. Si kan desuden have en opløsnings forstærkende virkning på den nikkelrige γ-fase 20 i materialets grundstruktur. Af denne grund kan det være ønskeligt at begrænse materialets indhold af Si til højst 0,95%.

Aluminium kan ligesom Si forbedre korrosionsbe-standigheden ved dannelse af aluminiumoxid på overfladen 25 af vægelementet. Endvidere kan Al, Si og/eller Mn være tilsat ved fremstillingen af det partikelformede udgangsmateriale, idet disse tre bestanddele virker desoxiderende. Da Mn ikke bidrager til de ønskede materialeegenskaber i vægelementet, ønskes restmængden 30 af Mn i materialet begrænset til højst 1,0%.

Der kan tilsættes op til 0,5% Y og/eller op til 4,0% Ta for at stabilisere oxiddannelserne på materialets overflade på tilsvarende måde som det sker med tilsætninger af Al og Si. Større mængder af yttrium og 8 DK 173136 Bl tantal giver ikke nogen yderligere forbedring af korrosionsbestandigheden.

Al kan danne en hårdhedsøgende intermetallisk forbindelse med nikkel (γ'), og materialet må derfor 5 højst indeholde 2,5% Al. Hvis legeringen også indeholder Ti i større mængder på op til højst 2,0%, må materialets samlede indhold af Al og Ti ikke overstige 4,0%, idet Ti også kan indgå i de uønskede y' -udskillel ser. For at drage fordel af aluminiums korrosionsbe-10 skyttende virkning og samtidig have passende sikkerhed mod udskillelse af γ' foretrækkes, at materialet indeholder mindre end 1,0% Al samtidig med, at summen af Al og Ti højst andrager 2,0%. Hvis legeringen indeholder Ti i en mængde nær den øvre grænse herfor, 15 kan indholdet af Al fordelagtigt begrænses til højst 0,15%. For yderligere at undertrykke dannelsen af γ' foretrækkes, at indholdet af Al er mindre end 0,4%.

Ti er en ofte forekommende bestanddel af chrom- og nikkelholdige legeringer, og det kan derfor være 20 vanskeligt helt at undgå et vist indhold af Ti i materialet. Det foretrækkes, at indholdet af Ti er mindre end 0,6% for at modvirke udskillelser af hårdhedsøgende titancarbider og -borider. Samvirkningen mellem Al og Ti gør det ønskeligt at begrænse indholdet 25 af Ti til mindre end 0,09%, således at Al kan tilsættes i mængder, der kan forbedre materialets resistens mod varmkorrosion.

Materialets indhold af Fe ønskes begrænset til højst 5%, idet korrosionsbestandigheden aftager med 30 højere Fe-indhold. Det er også muligt at anvende et udgangsmateriale, der indeholder cobolt, der ikke har egentlig negativ indflydelse på korrosionsbestandigheden. Cobolt kan delvis erstatte nikkel i materialet, hvis dette er ønskeligt af økonomiske årsager. I mængder 35 på op til 8,0% har Co ikke nævneværdig opløsningsfor- DK 173136 B1 9 stasrkende virkning på 7-fasen. Også i de tilfælde, hvor der ikke ønskes en substitut for nikkel kan tilsætninger af cobolt i mængder på op til 8,0% være ønskelig, fordi Co kan flytte fordelingen af a- og 7-faserne i en for 5 materialets duktilitet gunstig retning derved, at Co fremmer dannelsen af 7-fasen. Dette kan navnlig være ønskeligt, hvis materialet indeholder meget Cr, eksempelvis mere end 60% Cr.

Bor kan bidrage til at det partikel formede udgangs-10 materiale af blandingsfasen a+7 har en meget tæt dendritstruktur med kort afstand mellem dendritarmene.

Hvis indholdet af B overstiger 0,2% kan mængden af borholdigt eutektikum og boridudskillelser antage et omfang, der giver en uønsket hårdhedsøgende virkning.

15 Zr i mængder på op til 0,15% kan have samme gunstige indvirkning på materialets dendritstruktur som B, og kan derfor anvendes som alternativ eller som supplement til tilsætningen af B. Det foretrækkes, at indholdet af B er mindre end 0,09% for at begrænse mængden.af hårdheds-20 øgende udskillelser.

Det partikelformede udgangsmateriale kan indeholde restmængder af magnesium, men denne bestanddel indebærer tilsyneladende ingen fordele ved den foreliggende anvendelse, og materialets indhold af Mg ønskes derfor 25 begrænset til højst 1,0%.

I en foretrukken udførelsesform er materialets indhold af de uundgåelige forureninger N og 0 begrænset til højst 0,04% N og/eller højst 0,01% O. Indholdet af O i udgangsmaterialet kan fremkalde oxidbelægninger på 30 partiklerne, og sådanne belægninger vil efter HIP-processen ligge indesluttet i materialet og nedsætte dettes styrke. Mængden af N kan med fordel begrænses til nævnte 0,04% for at modvirke dannelsen af hårdhedsøgende nitrider eller carbonitrider.

DK 173136 B1 10

Niob kan tilsættes den legering, der anvendes ved fremstillingen af det partikelformede udgangsmateriale.

Det foretrækkes af økonomiske grunde, at indholdet af Nb er begrænset til højst 0,95%, men hvis legeringen 5 indeholder mærkbare mængder af N og mængder af C nær den øvre grænse på 0,15% kan det være ønskeligt at tilsætte op til 2,0% Nb for at neutralisere N og C's tendens til at danne uønskede carbid- og nitridgrænselag på partikeloverfladerne. I det korrosionsbestandige materiale 10 har niob i mængder på op til 3,0% overraskende vist sig at have positiv indflydelse på de strukturomdannelser, der forekommer ved langtidsdrift af vægelementet i det relevante temperaturinterval. Et indhold af Nb på mere end 0,1%, og fortrinsvis fra 0,9 til 1,95% medvirker 15 således til, at materialet bevarer stor duktilitet efter lang tids drift.

W og Mo er uønskede bestanddele i materialet, og hvis de forekommer foretrækkes, at materialet indeholder mindre end 1,4% W og mindre end 0,9% Mo, og at det 20 samlede indhold af W og Mo er mindre end 2%. Dette skyldes, at både W og Mo har en opløsningsforstærkende virkning på grundstrukturen, α+γ-fasen, i materialet, hvilket øger hårdheden. For at tindgå udskillelse af intermetalliske forbindelser baseret på W og Mo fore-25 trækkes endvidere, at det samlede indhold af W og Mo er mindre end 1,0%.

Hf i mængder på 0,1-1,5% har en korngrænsemodificerende virkning, der ved materialets driftstemperatur i intervallet fra 550 til 850°C har positiv indvirkning 30 på materialets duktilitet.

Det er velkendt, at en belægning af rent chrom på overfladen af et element giver særdeles god korrosions-bestandighed, men også at en sådan belægning er meget skør uden nævneværdig duktilitet. Med den foreliggende 35 opfindelse er det muligt i udgangsmaterialet ved DK 173136 B1 11 overfladen vendende ind mod forbrændingskammeret at iblande partikler med et chromindhold større end 75¾ vægtprocent, såsom partikler af rent chrom. Derved kan der på vægelementet tilvejebringes et overfladelag med 5 yderligere forbedret korrosionsresistens. Den medfølgende nedsatte duktilitet af overfladelaget kan føre til dannelsen af sprækker i dette. Sprækkerne vil blotlægge det underliggende materiale, der som beskrevet ovenfor har stor duktilitet, hvilket hindrer sprækkerne 10 i et udvikle sig til dybere revnedannelser, og er varmkorrosionsbeståndigt, hvilket begrænser den korrosive nedbrydning. Tilsætningen af de højchromholdige partikler giver således mulighed for tilvejebringelse af et vægelement med en optimal kombination af korro-15 sionsresistens og duktilitet.

I løbet af vægelementets levetid vil chromindholdet i krystalkomene nær overfladen mindskes i takt med afbrændingen af chromoxiderne ved elementets overflade. Tilsætningen af de højchromholdige partikler modvirker 20 denne- tendens, idet det høje temperaturniveau ved overfladen får chrom fra de højchromholdige partikler til at diffundere ud i de hosliggende krystalkorn, der har den i krav 1 angivne sammensætning. Hvis der længere inde i materialet er indesluttet højchromholdige 25 partikler, fører disse ikke til nogen betydende mindsk-ning af materialets duktilitet. Dette skyldes, at temperaturniveauet længere inde i materialet er lavere, hvilket begrænser chroms tendens til at diffundere ud i de tilgrænsende krystalkom. Det partikelformede 30 udgangsmateriale kan således gives en varieret sammensætning med mindskende indhold af højchromholdige partikler i voksende afstand fra vægelementets overflade.

Med henblik på opnåelse af stor duktilitet fore-35 trækkes, at det korrosionsbestandige materiale efter DK 173136 B1 12 opvarmning til den i krav 1 nævnte temperatur i nævnte tidsrum har en hårdhed på mindre end 300 HV, og endnu mere fordelagtigt er hårdheden mindre end 285 HV målt ved omtrent 20°C.

5 I en udførelsesform er det muligt at lade tykkelsen af det korrrosionsbestandige materiale i en retning vinkelret på overfladen af vægelementet være større end 8 mm. Dette giver ganske vist et større forbrug af det relativt kostbare udgangsmateriale, men samtidig 10 forlænges vægelementets levetid nogenlunde proportionalt med materialetykkelsen, fordi materialet ikke har tendens til revnedannelse men derimod nedbrydes forholdsvis jævnt. Hvis tykkelsen af det varmkorrosionsbestandige materiale øges yderligere til eksempelvis at 15 være større end 15 mm opnås den yderligere virkning, at materialet indgår som en egentlig strukturbestanddel af vægelementet i stedet for blot at være en korrosionsbeskyttende belægning.

Udførelseseksempler for opfindelsen forklares 20 herefter nærmere med henvisning til den stærkt skematiske tegning, hvor

Fig. 1 viser et centralt længdesnit gennem en ventiltallerken med det nederste stykke af et ventil-skaft, udformet ifølge opfindelsen, og 25 fig. 2 et centralt længdesnit gennem et stempel udformet ifølge opfindelsen.

I fig. 1 ses et vægelement i form af en ventilspindel 1 til en udstødsventil i en totakts krydshovedmotor.

VentiIspindlen omfatter en ventiltallerken 2 og et 30 ventilskaft 3, hvoraf kun det nederste stykke er vist.

Et ventilsæde 4 ved ventiltallerkenens overside er fremstillet i en varmkorrosionsbestandig legering med høj hårdhed, der modvirker dannelsen af indtryknings-mærker på sædets tætningsflade. På undersiden af 35 ventiltallerkenen er der et lag af varmkorrosionsbe- DK 173136 B1 13 standigt materiale 5, der modvirker afbrænding af materiale fra tallerkenens nedadvendende overflade 6. Materialet 5 er som ovenfor beskrevet udformet i overensstemmelse med opfindelsen og besidder den 5 fordelagtige kombination af stor duktilitet og høj resistens mod varmkorrosion.

I fig. 2 ses et vægelement i form af et stempel 7 monteret på toppen af en stempelstang 8, hvoraf kun det øverste stykke er vist. Stemplet har et centralt hulrum 10 9 og mange lodrette boringer 10, der ligger jævnt fordelt langs stempelperiferien i stempelskørtet 11, der omgiver hulrummet 9. Hulrummet 9 er gennem mindre boringer 12 forbundet med de lodrette boringer 10, så køleolie fra et centralt rør 13 i stempelstangen kan 15 strømme op i hulrummet og videre gennem boringerne 12 ud i de lodrette boringer 10, hvorfra olien returnerer gennem stempelstangen. Køleoliens strømnings forløb er antydet med pile. Olien køler undersiden af stempeltop-pen 16, men der vil alligevel forekomme temperaturfor-20 skelle ved oversiden af stempeltoppen med resulterende termiske spændinger i dennes materiale.

Stemplet kan naturligvis også have andre udformninger, eksempelvis kan der i en stempelbund være indsat et større antal sprøjterør, der sprøjter køleolie op mod 25 stempeltoppens underside, eller det centrale hulrum kan have større diameter, så kølingen af stempeltoppen primært sker ved hjælp af plaskekøling.

Stempeltoppen har ved sin overside et lag af varmkorrosionsbestandigt materiale 14, der modvirker 30 afbrænding af materiale fra stemplets opadvendende overflade 15. Materialet 14 er som ovenfor beskrevet udformet i overensstemmelse med opfindelsen og besidder den fordelagtige kombination af stor duktilitet og høj resistens mod varmkorrosion.

DK 173136 B1 14 Når motoren kører, bevæges stemplet op og ned i en ikke vist cylinderforing, og på passende tidspunkter af motorcyklussen åbnes og lukkes udstødsventilen ved at ventilspindlen bevæges bort fra og tilbage mod en 5 ligeledes ikke vist stationær ventilsædedel, der har et ventilsæde med en rundtgående nedadvendende tætnings-flade, der i ventilens lukkede stilling ligger an mod spindlens opadvendende ventilsæde 4.

De bevægelige vægelementer 1, 7 afgrænser sammen 10 med cylinder for ingen og et ikke vist cylinderdæksel motorens forbrændingskammer, og udsættes dermed for det varme og aggressive miljø, som fremkommer ved forbrændingsprocessen .

Hvis motoren er en totakts krydshovedmotor kan 15 stemplets diameter eksempelvis ligge i intervallet 250-1000 mm, og diameteren af vent i Ispindlens tallerken kan eksempelvis ligge i intervallet 100-600 mm. Det ses heraf, at de ind mod forbrændingskammeret vendende overflader af de bevægelige vægelementer har store 20 arealer, hvilket giver anledning til store termiske spændinger i materialerne 5 og 14.

De fordelagtige egenskaber af de bevægelige vægelementer 1 og 7 kan også udnyttes i mindre motorer, eksempelvis firtakts motorer af medium- eller highspeed 25 typen, roen de er særligt anvendelige i de nævnte store motorer, hvor belastningerne er store.

Herefter beskrives, hvorledes materialet 5, 14 fremstilles på det bevægelige vægelement hhv. 1 og 7.

Et grundemne af et egnet materiale, såsom stål, au-30 stenitisk stål eller en Nimonic legering angivet i ovennævnte britiske artikel, fremstilles på sædvanlig vis til den ønskede facon uden det varmkorrosionsbe-standige materiale 5, 14. Derefter påføres grundemnet materialet 5, 14 ved en velkendt HIP-process (HIP står 35 for Hot Isostatic Pressure). Ved denne process anvendes 15 DK 173136 B1 partikelformet udgangsmateriale, der eksempelvis kan være fremstillet ved at en flydende stråle af en smeltet nikkel- og chromholdig legering forstøves ud i et kammer med en inaktiv atmosfære, hvorved det dråbeformede 5 materiale bratkøles og størkner som partikler med den meget tætte dendritiske struktur α+γ. Det partikel formede materiale kan også kaldes pulverformigt materiale.

Det partikel formede udgangsmateriale placeres i en form i en mængde, der justeres efter den ønskede 10 tykkelse af materialet 5, 14. Som nævnt kan der samtidig iblandes højchromholdige partikler i området nær bunden af formen. Derefter placeres grundemnet oven på det partikelformede materiale, formen lukkes og påføres et vakuum for udsugning af uønskede gasser. Derefter 15 startes HIP-processen, hvor det partikel formede materiale opvarmes til en temperatur i intervallet 950-1200eC og påføres højt tryk på eksempelvis 900-1200 bar. Ved disse betingelser bliver det pulverformede udgangsmateriale plastisk og forenes til et sammenhængende, tæt 20 materiale i det væsentlige uden opsmeltning. Derefter udtages vægelementet, og om nødvendigt færdigbearbejdes det til de ønskede mål.

For ventilspindlerne 1 er det muligt som grundemne at anvende en ventiltallerken 2 uden skaft 3, idet 25 skaftet så monteres på ventiltallerkenen efter afslutningen af HIP-processen. Denne montering kan eksempelvis ske ved hjælp af friktionssvejsning.

Fordelen ved dette er, at grundemnet er lettere håndterligt ved HIP-processen, når skaftet eftermonteres.

30 Endvidere er det muligt at fremstille hele ventiltallerkenen eller om ønsket hele ventilspindlen udfra partikelformet materiale ved hjælp af HIP-processen, hvor der i forskellige områder af emnet anvendes forskellige partikelsammensætninger, der afpasses ud fra de ønskede DK 173136 B1 16 materialeegenskaber i de pågældende områder og ud fra økonomiske hensyn.

Herefter angives udførelseseksempler til belysning af de mekaniske egenskaber af det varmkorrosionsbe-5 standige materiale.

Eksempel 1

Ud fra partikelformet udgangsmateriale med analysen 46%

Cr, 0,4% Ti, 0,05% C og resten Ni blev ved hjælp af HIP-processen fremstillet et stangformet emne med en 10 diameter på 30 mm og en længde på ca. 1000 mm. Efter placeringen i formen blev udgangsmaterialet varmet op til en temperatur på 1150eC og tryksat til ca. 1000 bar, og efter en holdetid på ca. 2½ time ved disse betingelser blev emnet ført tilbage til stuetemperatur og 15 normalt tryk. Fra det stangformede emne blev afskåret prøveskiver med en tykkelse på ca. 8 mm. Den gennemsnitlige hårdhed af skiverne blev ved stuetemperatur målt til 269 HV20. Skiverne blev derefter varmebehandlet ved en temperatur på 700°C i 672 timer. Efter varmebehand-20 lingen blev den gennemsnitlige hårdhed af skiverne ved stuetemperatur målt til 285 HV20. Det kunne således konstateres, at varmebehandlingen kun gav anledning til en meget begrænset hårdhedsøgning.

pksempgl_2.L

25 Ud fra partikelformet udgangsmateriale med analysen 49,14% Cr, 1,25% Nb, 0,005% C og resten Ni blev på samme måde som i eksempel 1 først fremstillet et stangformet emne, hvorfra der blev afskåret prøveskiver, hvis gennemsnitlige hårdhed blev målt til 292 HV20. Skiverne 30 blev derefter varmebehandl et ved en temperatur på 700°C i 672 timer, hvorefter deres gennemsnitlige hårdhed blev målt til 260 HV20. Det kunne således konstateres, at varmebehandlingen gav anledning til et fald i hårdheden.

DK 173136 B1 17

EksemB£l_3 l

Der blev derefter på samme måde som i eksempel 1 fremstillet tre stangformede emner, hvoraf det første havde analysen 46% Cr, 0,4% Ti, 0,05% C og resten Ni, 5 det andet havde analysen 49,14% Cr, 1,25% Nb, 0,005% C og resten Ni, og det tredie havde analysen 54,78% Cr, 1,26% Nb, 0,005% C, 0,1% Fe og resten Ni. Fra hver af de tre emner blev afskåret stykker med længden 120 mm, der på sædvanlig måde blev neddrejet til trækprøveemner.

10 Testdiameteren på prøveemneme med 46% Cr var 3 mm, mens testdiameteren på prøveemnerne af de to andre legeringer var 5 mm. Den gennemsnitlige hårdhed af prøveemneme blev målt, hvorefter et hold emner blev varmebehandlet i 48 timer ved 700®C, et andet hold emner blev varmebe-15 handlet i 336 timer ved 700°C, og et tredie hold emner blev varmebehandlet i 672 timer ved 700 eC. Efter varmebehandlingerne blev prøveemnemes gennemsnitlige hårdhed ved stuetemperatur målt, og der blev udført trækprøver for undersøgelse af materialernes mekaniske 20 egenskaber. Resultatet af afprøvningerne er gengivet i nedenstående Tabel 1. Det skal bemærkes, at de stjerne-markerede måleresultater angiver et prøveemne, der som følge af en bearbejdningsfejl knækkede i utide.

Testresultaterne viser, at det HIP-fremstillede varmkor-25 rosionsbeståndige materiale ikke får nedsat duktilitet ved længere tids varmebelastning ved et temperaturni-veau, der er repræsentativt for driftstemperaturer for bevægelige vægelementer i en stor totaktsmotors forbrændingskammer .

30 Det ses også, at materialets mekaniske egenskaber i øvrigt er fremragende. Trækstyrken af materialet inden varmebehandlingen er væsentlig højere end det er sædvanligt for nikkellegeringer med højt chromindhold.

1 Varmebehandlingen ses at give et begrænset fald i DK 173136 B1 18 trækstyrken ned til et niveau, der stadig er fordelagtigt højt. Ved varmebehandlingen ses en stigning i både brudforlængelsen og i arealreduktionen, hvilket betyder, at materialet får større duktilitet. Det ses 5 også, at de niobholdige materialer bevarer brudforlængelsen og ligefrem får voksende arealreduktion ved længere tids varmepåvirkning.

På baggrund af materialets mekaniske egenskaber angivet i Tabel 1 er der klar formodning om, at materia-10 lets slagsejhed er meget høj.

Materialets særdeles fine mekaniske egenskaber gør det velegnet som egentligt konstruktionsmateriale, der samtidig har de i og for sig kendte fremragende korrosionsresistente egenskaber.

15 I ovenstående beskrivelse er alle procentangivelser for legeringsbestanddele udtrykt i vægtprocent.

DK 173136 B1

CN

i \ •o Pt O X Λ T) o ^ 04 N O O · O * ^ . CO · O · 4· · H · Vi · Η · Φ

•Λ > Γ' co O ffl O σιΟιοΟΡ'ΟνοΟ roOP'Ot-'Ot^Q

KW in n « Ό « ’Ο μΌνΌνΌνΌ πΌνϊνΌντΙ t σ <υ Η ιΗ * flj c* Η <!· 00 Ν ® <J» NNOOCOUlfflH ^ΙώΡ'ΗΗΗΗΙΟ φ - * « ^ ν » '''''''' Η Ν ί*) Ο «) η Ν (ΊΛΟΗΝίΛΝί ΙΟι-Ί^^^'ί^'ΙΛ cg η τί ^ τ# <ι *froinininintn4* oV> S 0 r-l υ S« «μ α) Ό Q οο 2»—ι * ο c·· ιη ® οο ι- ιη ηνριννονλ ι*ιηγοπμη«ιο

rtO) Η (Ν Η Η Η r-I Nr).NNN«CJrl-H|plHNf1NNHN

ίδ iTi s σ\ π*ζ, w η <υ Ζ «)

*0 U

* Λ -Η| r-l 0ί SS 5 4-1 0 i σι c _ o c oj r-· *j* vo *j> in ojiominoiæiorivD ajo^oar-r-r-iinin «· -Η ·Η|

OflS'fiKl'iW'i'i MlOlOVOVOinininin t^r'VOVOVDVOVOVO

Φ <*·

C V H

® 4J Ό o ra o φ Φ

M U U O

>, g 0 Λ» » 4-i g o «η in 01 "x o o X & V o ui h * o m o IV CO COU A H 'HNIOm^COOCO ·ΗΟ^*ΟΟΟΓΟ®

(4 ΕΛ» β>τ#Γ''Γ'·ιη®ΟΟΟΗΝΟί?ΐΗ^ΟΗΓ-ΙΙ/>Ιώι-ΙΗΝ<Ν f-t K ΟΙ A Ol A Α Οι Ol HHAAAAAO HHAAAAAA

o · · o 5§ é ^||

tJl-H Vi ^4 LO Μ W lO V V

R Ό E* V Φ « N V ® Φ ν ΜΦΦ •H -H V E E · ® e 6 · V E 6 «—I 4-1 Jp E Ή ·Η H g -ri -ri Η 6 -ri -ri

Ό '-x -ri 4J 4J -H 4J U -rl4J-U

JlH · 4J ' *J - 4J

R O lOCSl-l VØ C* VON

4J æ ro r» O oo η Γ' U CO ro ΓΗ Φ <U Tf ro VO -s}· n V0 I1 Cl Ό Λ V >-i \ \ ''χ Α» \ \ N ile \ >

.ΗφΦυυΟΟ·* UUU® U O O

Φ § Oi U O o o H O o o o Ρ» O o o o - ,Q Ih £ <A» o O O - O · - O · O - O " O · - o O · O - O · (ΰΑίφιοοοοΟοΟοιοοοοοΟοΟΦΟΟοΟοΟοΟ fc-ij > 4-)<ηΝΡ'Ρ',θΓ'Ό^1Ν'0Ρ'ΌΡ'Όί^ΌΐΛ|Ν,σΡ''0Ι^ΌΓ^Ό in o in o in

Η Η N N

Claims (13)

1. Bevægeligt vægelement i form af en udstødsventilspindel (1) eller et stempel (7) i en forbrændingsmotor, navnlig en totakts krydshovedmotor, hvilket 5 vægelement på sin ind mod et forbrændingskammer vendende side er forsynet med et varmkorrosionsbestandigt materiale (5, 14), der er dannet af partikelformet udgangsmateriale af en nikkel- og chromholdig legering, der ved en HIP-process er forenet til et sammenhængende 10 materiale i det væsentlige uden opsmeltning af udgangsmaterialet, kendetegnet ved, at det korrosionsbestandige materiale (5, 14) udtrykt i vægtprocent og bortset fra almindeligt forekommende urenheder og uundgåelige restmængder af desoxiderende bestanddele 15 omfatter fra 38 til 75* Cr og eventuelt fra 0 til 0,15* C, fra 0 til 1,5* Si, fra 0 til 1,0* Mn, fra 0 til 0,2* B, fra 0 til 5,0 * Fe, fra 0 til 1,0* Mg, fra 0 til 2,5* Al, fra 0 til 2,0* Ti, fra 0 til 8,0* Co, fra 0 til 3,0* Nb, samt eventuelle bestanddele af Ta, Zr, Hf, W og Mo, 20 og resten Ni, idet summen af Al og Ti andrager højst 4,0*, og summen af Fe og Co andrager højst 8,0*, og summen af Ni og Co andrager mindst 25*, og at det korrosionsbestandige materiale har en hårdhed på mindre end 310 HV målt ved omtrent 20°C efter at materialet har 25 været opvarmet til en temperatur beliggende i intervallet 550-850°C i mere end 400 timer.

2. Bevægeligt vægelement ifølge krav 1, k ende-tegnet ved, at materialets (5, 14) indhold af C er mindre end 0,08*, fortrinsvis mindre end 0,02*.

3. Bevægeligt vægelement ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at materialets (5, 14) indhold af Al er mindre end 1,0* samtidig med at summen af Al og Ti højst andrager 2,0*, og hensigtsmæssigt er indholdet af Al mindre end 0,4*, fortrinsvis mindre end DK 173136 B1 0,15%, samtidig med at indholdet af Ti er mindre end 0,6%, fortrinsvis mindre end 0,09%.

4. Bevægeligt vægelement ifølge et af kravene 1-3, kendetegnet ved, at materialets (5, 14) 5 indhold af Cr er større end 49%.

5. Bevægeligt vægelement ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet ved, at materialets (5, 14) indhold af N er højst 0,04%, og hensigtsmæssigt er indholdet af O højst 0,01%.

6. Bevægeligt vægelement ifølge et af kravene 1-5, kendetegnet ved, at materialet endvidere indeholder op til 0,5% Y og/eller op til 4,0% Ta.

7. Bevægeligt vægelement ifølge et af kravene 1-6, kendetegnet ved, at materialets (5, 14) 15 indehold af Nb er højst 2%, og fortrinsvis beliggende i intervallet fra 0,1% til 1,95%, hensigtsmæssigt mindst 0,9%.

8. Bevægeligt vægelement ifølge et af kravene 1-7, kendetegnet ved, at materialet (5, 14) 20 endvidere indeholder op til 0,15% Zr, og at materialets indhold af B hensigtsmæsigt er mindre end 0,09%.

9. Bevægeligt vægelement ifølge et af kravene 1-8, kendetegnet ved, at materialet (5, 14) endvidere indeholder fra 0,1 til 1,5% Hf.

10. Bevægeligt vægelement ifølge et af kravene 1-9, kendetegnet ved, at materialet (5, 14) endvidere indeholder mindre end 1,4% W og mindre end 0, 9% Mo, og at det samlede indhold af W og Mo er mindre end 2%, fortrinsvis mindre end 1,0%.

11. Bevægeligt vægelement ifølge et af kravene Ι- ΙΟ,kendetegnet ved, at der i udgangsmaterialet i det mindste ved overfladen {6, 15) vendende ind mod forbrændingskammeret er iblandet partikler med et chromindhold større end 75% vægtprocent. DK 173136 B1

12. Bevægeligt vægelement ifølge et af kravene 1- 11, kendetegnet ved, at det korrosionsbestandige materiale (5, 14) efter opvarmning til nævnte temperatur i nævnte tidsrum har en hårdhed på mindre end 5 300 HV, fortrinsvis mindre end 285 HV målt ved omtrent 20°C.

13. Bevægeligt vægelement ifølge et af kravene 1- 12, kendetegnet ved, at tykkelsen af det korrrosionsbestandige materiale (5, 14) i en retning 10 vinkelret på overfladen (6, 15) af vægelementet er større end 8 mm, hensigtsmæssigt større end 15 mm.