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Dokumentenidentifikation DE102004058318A1 08.06.2006
Titel Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung
Anmelder Diehl Metall Stiftung & Co.KG, 90552 Röthenbach, DE
Erfinder Gaag, Norbert, Dr.-Ing., 91207 Lauf, DE;
Dehnelt, Alexander, 90403 Nürnberg, DE
DE-Anmeldedatum 02.12.2004
DE-Aktenzeichen 102004058318
Offenlegungstag 08.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.2006
IPC-Hauptklasse C22C 9/04(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F01L 3/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F01L 3/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung für eine Ventilführung, wobei die Legierung 59 bis 73% Kupfer, 2,7 bis 8,3% Mangan, 1,5 bis 6% Aluminium, 0,2 bis 4% Silizium, 0,2 bis 3% Eisen, 0 bis 2% Blei, 0 bis 2% Nickel, 0 bis 0,2% Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung gemäß Anspruch 1.

Für eine Ventilführung in einem Verbrennungsmotor werden Kupfer-Zink-Legierungen oder Sinterstahl-Legierungen verwendet. Die Eigenschaften der Cu-Zn-Legierungen genügen jedoch nicht mehr den Anforderungen, die an eine solche Ventilführung gestellt werden, die in den neuen FSI-Motoren eingesetzt werden soll. In diesen Motoren kann die Arbeitstemperatur der Ventilführungen 300°C erreichen und überschreiten. Die derzeit verwendeten Kupfer-Zink-Legierungen erweichen jedoch bei diesen Temperaturen. Ein vergleichbarer, nachteiliger Effekt wird auch bei Sinterstahllegierungen beobachtet. Sinterstahllegierungen erweichen ebenfalls bei Temperaturen oberhalb 300°C, wobei außerdem die Härte stark variiert. Im Übrigen ist der Herstellungsaufwand für Sinterstahllegierungen in Folge des pulvermetallurgischen Herstellungsverfahrens hoch.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung deshalb die Problemstellung zugrunde, eine Kupfer-Zink-Legierung für eine Verwendung als Ventilführung bereitzustellen, wobei die Kupfer-Zink-Legierung den Anforderungen an Materialien für Ventilführungen genügt, insbesondere bei erhöhten Temperaturen und einfach herzustellen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung für eine Ventilführung, wobei die Legierung 59 bis 73 % Kupfer, 2,7 bis 8,3 % Mangan, 1,5 bis 6 % Aluminium, 0,2 bis 4 % Silizium, 0,2 bis 3 % Eisen, 0 bis 2 % Blei, 0 bis 2 % Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.

Die Angaben in % beziehen sich dabei und im Folgenden auf Gew.-%.

Damit wird also eine neue Verwendung für eine Kupfer-Zink-Legierung angegeben. Eine ähnliche Legierung gemäß der DE 29 19 478 C2 wird als Synchronring-Legierung eingesetzt und weist einen hohen Reibungsbeiwert bzw. -koeffizient auf. Bislang wurde ein hoher Reibungsbeiwert als Hinderungsgrund für die Verwendung eines Materials als Ventilführung angesehen, da hierfür die Reibbeanspruchung möglichst gering sein soll.

Neben einer guten Temperaturbeständigkeit hat sich gezeigt, dass die angegebene Kupfer-Zink-Legierung eine überraschend hohe Warmfestigkeit aufweist, die in Kombination mit ihrem guten Verschleißwiderstand eine Verwendung als Ventilführung überhaupt erst ermöglicht. Diese überraschende Kombination von Materialeigenschaften bietet die Möglichkeit, die bekannte Legierung in neuer Art und Weise als Ventilführung zu verwenden. Die Verwendung als Ventilführung in modernen Motoren erfordert die Kombination von hoher Temperaturbeständigkeit oberhalb 300°C mit gutem Verschleißwiderstand, der in Folge von auf die Ventilstößel wirkenden Querkräften notwendig ist. In Folge dieser übrigen überragenden Eigenschaften ist der hohe Reibungskoeffizient vernachlässigbar. Damit setzt sich die Erfindung über ein bislang in der Fachwelt verbreitetes Vorurteil hinweg.

Dem Erfordernis der guten und einfachen Herstellbarkeit wird dadurch Rechnung getragen, dass die Ventilführungen in Stangenform durch halb- oder vollkontinuierlichen Strangguss, Strangpressen und Ziehen, also durch Warm- und Kaltverformung, herstellbar sind.

Die Legierung weist ein Gefüge auf, das einen &agr;-Mischkristall-Anteil und einen &bgr;-Mischkristall-Anteil beinhaltet.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Kupfer-Zink-Legierung für die Verwendung als Ventilführung 70 bis 73 % Kupfer, 6 bis 8 % Mangan, 4 bis 6 Aluminium, 1 bis 4 % Silizium, 1 bis 3 % Eisen, 0,5 bis 1,5 % Blei, 0 bis 0,2 Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen.

Das Gefüge der weitergebildeten und gemäß der DE 29 19 478 C2 hergestellten Legierung besteht aus einer Alpha- und &bgr;-Mischkristallmatrix mit bis zu 60 bis 85 % &agr;-Phase, wobei die kubisch-raumzentrierte &bgr;-Phase die Grundmatrix darstellt, in der die kubisch-flächenzentrierte &agr;-Phase überwiegend feindispers verteilt ist. Im Gefüge können auch harte intermetallische Verbindungen beispielsweise Eisen-Mangan-Silizide enthalten sein. Die Alphaphase bestimmt die Beständigkeit der Legierung.

Ventilführungen aus dieser Legierung weisen einen überraschend hohen Verschleißwiderstand auf, der sogar deutlich höher ist, als der von Sinterstahl. Besonders der Trockenreibverschleiß bei Ventilführungen aus besagter Legierung ermöglicht den Einsatz in Motoren, die „reinere" Kraftstoffe benötigen, also solche die blei- oder schwefelfrei sind, da in Folge des Nichtvorhandenseins dieser Additive eine zusätzliche verschleißmindernde Wirkung entfällt. Die ist insbesondere bei Temperaturen um 300°C, der Arbeitstemperatur der Ventilführungen in FSI-Motoren, besonders vorteilhaft.

Ein weiterer Vorteil in der Verwendung dieser Legierung als Ventilführung besteht darin, dass im angestrebten Arbeitsbereich oberhalb 300°C, ein stabiles Härteniveau erreicht wird, da eine Erweichung der Legierung erst oberhalb von 430°C eintritt, wogegen die Erweichung von bislang verwendeten Kupfer-Zink-Legierungen schon ab 150°C beginnt. Der damit einhergehende Härteabfall tritt ab 150°C ebenso auf, wie der Härteabfall bei Sinterstahl-Legierungen ab 300°C.

In einer bevorzugten Alternative wird die Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung beansprucht, wobei die Legierung 69,5 bis 71,5 % Kupfer, 6,5 bis 8 Mangan, 4,5 bis 6 % Aluminium, 1 bis 2,5 % Silizium, 1 bis 2,5 % Eisen, 0,5 bis 1 % Blei, 0 bis 0,2 % Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.

Das Gefüge der in üblicher Weise hergestellten Legierung weist eine &agr;- und &bgr;-Mischkristallmatrix mit bis zu 80 % feindispers verteilter Alphaphase auf. Darüber hinaus können harte intermetallische Verbindungen, beispielsweise Fe-Mn-Silizide enthalten sein.

Die Verwendung der besagten Legierung als Ventilführung ist besonders vorteilhaft, da sie eine Warmzugfestigkeit aufweist, die einen doppelt so hohen Betrag hat, wie sie herkömmliche Kupfer-Zink-Legierungen, die bislang als Ventilführung eingesetzt wurden, besitzen. Weitere vorteilhafte Eigenschaften sind eine hohe Erweichungstemperatur, eine hohe Festigkeit und eine hohe Verschleißbeständigkeit.

Vorteilhafterweise wird für Ventilführungen eine Kupfer-Zink-Legierung verwendet, wobei die Legierung 60 bis 61,5 % Kupfer, 3 bis 4 % Mangan, 2 bis 3 % Aluminium, 0,3 bis 1 % Silizium, 0,2 bis 1 % Eisen, 0 bis 0,5 % Blei, 0,3 bis 1 % Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.

Das Gefüge besagter und entsprechend hergestellter Legierung weist eine Grundmasse von &bgr;-Mischkristallen auf, in die nadel- und bandförmige &agr;-Ausscheidungen, eingebettet sind. In dem Gefüge können ebenfalls regellos disperse Mangan-Eisen-Silizide enthalten sein.

Ventilführungen aus dieser Legierung weisen einen hohen Verschleißwiderstand auf, der sogar deutlich höher ist, als der von Sinterstahl. Besonders der Trockenreibverschleiß bei Ventilführungen aus besagter Legierung ermöglicht den Einsatz in Motoren, die „reinere" Kraftstoffe benötigen, also solche die blei- oder schwefelfrei sind, da in Folge des Nichtvorhandenseins dieser Additive eine zusätzliche verschleißmindernde Wirkung entfällt. Die ist insbesondere bei Temperaturen um 300°C, der Arbeitstemperatur der Ventilführungen in FSI-Motoren, besonders vorteilhaft.

Weitere, für die Verwendung als Ventilführung vorteilhafte Eigenschaften der besagten Legierung sind eine hohe Erweichungstemperatur und eine hohe Warmzugfestigkeit.

In einer vorteilhaften Weiterbildung wird für Ventilführungen eine Kupfer-Zink-Legierung verwendet, wobei die Legierung zusätzlich wenigstens eines der Elemente Chrom, Vanadium, Titan oder Zirkon mit bis zu 0,1 % umfasst.

Die Zugabe dieser Elemente zu der Kupfer-Zink-Legierung wirkt kornfeinend.

Darüber hinaus kann die Kupfer-Zink-Legierung als Verwendung für eine Ventilführung zusätzlich wenigstens eines der folgenden Elemente mit einer Konzentration ≤ 0,0005 % Bor, ≤ 0,03 % Antimon, ≤ 0,03 % Phosphor, ≤ 0,03 % Cadmium, ≤ 0,05 % Chrom, ≤ 0,05 % Titan, ≤ 0,05 % Zirkon, ≤ 0,05 % Cobalt umfassen.

Mehrere Ausführungsbeispiele werden anhand der nachstehenden Beschreibung und anhand Tabelle 1 näher erläutert.

Derzeit wird als Material für wenig temperaturbeanspruchte Ventilführungen Sinterstahl und Kupfer-Zink-Legierungen mit etwa folgender Zusammensetzung eingesetzt: 56 bis 60 % Kupfer, 0,3 bis 1 % Blei, 0,2 bis 1,2 % Eisen, 0 bis 0,2 % Zinn, 0,7 bis 2 % Aluminium, 1 bis 2,5 % Mangan, 0,4 bis 1 % Silizium sowie Rest Zink nebst unvermeidlichen Verunreinigungen. Im Folgenden wird eine derartige Legierung als Standard-Legierung bezeichnet. Legierung 1 entspricht der Legierung aus Anspruch 4. Legierung 2 entspricht der in Anspruch 6 beschriebenen Legierung.

Das Erweichungsverhalten der verschiedenen Werkstoffe ist bis zu einer Temperatur von 500°C untersucht worden. Dabei hat sich gezeigt, dass die Standardlegierung für Ventilführungen bereits ab einer Temperatur von 100°C einen deutlichen und kontinuierlichen Rückgang ihrer Härte von 195 HV50 auf nur 150 HV50 aufweist. Bei Sinterstahl kommt es im relevanten Temperaturbereich ab 300°C zu einer drastischen Härteabnahme von 195 auf niedrige 130 HV50, wobei die Härte mit zunehmender Temperatur unstetig auf- und abschwankt. Im Gegensatz dazu zeigt Legierung 2 eine um etwa 10 höhere Härte (224 HV50), die erst ab 350°C auf etwa 170 HV50 abnimmt. Erst ab 450°C werden die Härtewerte von Sinterstahl bei Raumtemperatur erreicht. Im Vergleich zur Standardlegierung liegen die Härtewerte der Legierung 2 stets deutlich über denen der Standardlegierung. Legierung 1 dagegen zeigt einen deutlichen Härtezuwachs von 224 auf 280 HV50 mit steigender Temperatur bis 350°C. Im Vergleich zum Sinterstahl hat Legierung 1 eine um 140 HV50 höhere Härte als Sinterstahl. Legierung 1 hat somit ihr Härtemaximum bei den Temperaturen, die der Arbeitstemperatur von Ventilführungen in FSI-Motoren entsprechen. Die höhere Härte von Legierung 1 und 2 im Vergleich zu den herkömmlich verwendeten Materialien ist einerseits auf die höhere Ausgangshärte zurückzuführen und andererseits auf Aushärteeffekte.

Die elektrische Leitfähigkeit kann als Maß für die Wärmeleitfähigkeit herangezogen werden, wobei ein hoher Wert für eine gute Wärmeleitfähigkeit steht. Die elektrische Leitfähigkeit der Standardlegierung beträgt 11 m/&OHgr;mm2. Legierung 2 hat gute eine elektrische Leitfähigkeit von 7,5 m/&OHgr;mm2, was lediglich etwa ein Viertel geringer ist, als bei der Standardlegierung. Die elektrische Leitfähigkeit der Legierung 1 beträgt 4,6 m/&OHgr;mm2. Im Vergleich zu Sinterstahl (3,1 m/&OHgr;mm2) bedeutet dies eine um etwa 48 % höhere elektrische Leitfähigkeit bzw. Wärmeabfuhr. Somit ist im Vergleich zu Sinterstahl die Wärmeabfuhr der Legierungen 1 und 2 deutlich verbessert.

Das Verschleißverhalten wurde mit und ohne Schmierstoff untersucht. Mit Schmierstoff hat Sinterstahl die höchste Verschleißbeständigkeit (2500 km/g). Legierung 1 hat eine ebenfalls hervorragende Verschleißbeständigkeit von 1470 km/g, die um mehr als einen Faktor 10 höher ist, als die Verschleißbeständigkeit der Standardlegierung mit 126 km/g. In dieser Größenordnung liegt die Verschleißbeständigkeit der Legierung 2 mit Schmiermittel (94 km/g).

Beim Verschleißverhalten ohne Schmierstoff hat sich jedoch gezeigt, dass die Legierungen 1 und 2 deutliche Vorteile gegenüber Sinterstahl und der Standardlegierung haben. Sinterstahl hat einen Verschleiß von 312 km/g, was etwa dem Verschleißverhalten der Standardlegierung mit 357 km/g entspricht. Das trockene Verschleißverhalten der Legierung 2 ist mit 417 km/g deutlich besser als das von Standardlegierung und Sinterstahl. In anderen Worten, der Verschleiß ist deutlich geringer. Legierung 1 weist mit 625 km/g sogar einen im Vergleich zu Sinterstahl doppelt so hohen Verschleißwiderstand auf. Der geringe Trockenreibverschleiß macht die Legierungen 1 und 2 besonders interessant, da durch die motorbedingte zunehmende Reinheit der Kraftstoffe, also ihre Blei- oder Schwefelfreiheit, die verschleißmindernde Wirkung des so genannten „blow by", dem Schmieren durch den Kraftstoff selbst, in dem Additive in Zukunft weniger vorhanden sein werden, unterbleibt.

Die Warmzugfestigkeit wurde mit Zugversuchen bei 350°C bestimmt. Die Warmzugfähigkeit der Standardlegierung beträgt 180 N/mm2. Im Vergleich dazu weist Legierung 1 einen doppelt so hohen Betrag auf (384 N/mm2). Im Vergleich zur Standardlegierung weist Legierung 2 eine um ca. 35 % höhere Warmzugfestigkeit auf, dies sind 243 N/mm2.

Legierung 1 und Legierung 2 lassen sich bevorzugt herstellen durch halb- oder vollkontinuierlichem Strangguss, Strangpressen, Ziehen und Richten.

Legierung 2 und insbesondere Legierung 1 haben gegenüber der bisherigen, als Ventilführungslegierung verwendeten Standardlegierung, sowie im Vergleich zu Sinterstahl, deutliche Vorteile. Diese Vorteile betreffen die Warmzugfestigkeit, die Erweichungstemperatur, die Festigkeit und die Verschleißbeständigkeit. Darüber hinaus ist auch die Leitfähigkeit ausreichend, weshalb die Legierungen 1 und 2 in Bezug auf eine Verwendung als Ventilführung eine erhebliche Verbesserung darstellen, da diese Legierungen den Anforderungen an den Werkstoff bei den erhöhten Betriebstemperaturen in den neuen Motoren entsprechen.

Tabelle 1 zeigt die Materialeigenschaften einer Cu-Zn-Standardlegierung, einer Sinterstahllegierung, Legierung 1 und Legierung 2 im Vergleich.


Anspruch[de]
  1. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung für eine Ventilführung, wobei die Legierung 59 bis 73 % Kupfer, 2,7 bis 8,3 % Mangan, 1,5 bis 6 Aluminium, 0,2 bis 4 % Silizium, 0,2 bis 3 % Eisen, 0 bis 2 % Blei, 0 bis 2 % Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
  2. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung 70 bis 73 % Kupfer, 6 bis 8 % Mangan, 4 bis 6 Aluminium, 1 bis 4 % Silizium, 1 bis 3 % Eisen, 0,5 bis 1,5 % Blei, 0 bis 0,2 % Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
  3. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 2, wobei die Legierung 69,5 bis 71,5 % Kupfer, 6,5 bis 8 % Mangan, 4,5 bis 6 % Aluminium, 1 bis 2,5 % Silizium, 1 bis 2,5 % Eisen, 0,5 bis 1,5 Blei, 0 bis 0,2 % Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
  4. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1, wobei die Legierung 60 bis 61,5 % Kupfer, 3 bis 4 % Mangan, 2 bis 3 Aluminium, 0,3 bis 1 % Silizium, 0,2 bis 1 % Eisen, 0 bis 0,5 % Blei, 0,3 bis 1 % Nickel, 0 bis 0,2 % Zinn, Rest Zink sowie unvermeidbare Verunreinigungen umfasst.
  5. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Legierung zusätzlich wenigstens eines der Elemente Chrom, Vanadium, Titan oder Zirkon mit bis zu 0,1 % umfasst.
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